¿Qué sucede cuando la radiación llega al agua? Esta es una pregunta que tiene un impacto cada vez que te hacen una radiografía en el consultorio del médico, dado que estás hecho principalmente de agua. Un equipo de físicos teóricos de DESY ha trabajado con datos obtenidos por colegas del Laboratorio Nacional Argonne en EE. UU. en el láser de rayos X LCLS en California para obtener una mejor respuesta a esta pregunta.
Lo que encontraron puede resolver una controversia en física sobre la presencia de electrones libres en el agua y cómo se comportan en escalas de tiempo muy cortas:los electrones, libres de átomos, quedan secuestrados en burbujas en estructuras similares a jaulas entre moléculas de agua individuales. Estos hallazgos se publican en el Journal of the American Chemical Society. .
Los electrones libres son electrones que no están unidos a átomos. En el agua que entra en contacto con la radiación, los electrones libres emergen de las moléculas de agua cuando se ionizan debido a la radiación. Cómo fluyen los electrones entre las moléculas de agua en esta situación ha sido un tema de discusión durante mucho tiempo.
En su trabajo en LCLS en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, el equipo experimental, dirigido por la científica de Argonne Linda Young, vio firmas extrañas asociadas con las moléculas de agua excitadas por láseres y fotografiadas por el láser de rayos X. Encontraron estructuras entre las moléculas mediante espectroscopia de absorción de rayos X. Para comprender mejor lo que significaban estos resultados, el equipo del experimento recurrió a físicos teóricos de Hamburgo.
Un equipo dirigido por el científico de DESY, Ludger Inhester, del Centro para la Ciencia del Láser de Electrones Libres, examinó los datos y comenzó a hacer modelos a partir de los datos en coordinación con el equipo experimental. En conjunto, sus hallazgos muestran que los electrones libres en el agua forman estructuras de burbujas que luego son enjauladas por las moléculas de agua, de manera similar a cómo los químicos se solvatan en agua a nivel molecular. En particular, el equipo DESY logró mostrar el proceso detrás de esta solvatación de electrones en el agua y sus parámetros.
"Resulta que el proceso de disolución y, por tanto, la formación de las estructuras de las jaulas, es notablemente sensible a los cambios de temperatura en el agua", afirma Arturo Sopena, primer autor del estudio.
Los nuevos conocimientos sobre el proceso de solvatación muestran que el electrón, que al principio se encuentra en una amplia zona entre las moléculas de agua, se acopla a patrones específicos de enlaces de hidrógeno que se producen en el agua líquida molecular y luego se "excava" más profundamente en una zona muy estrecha. área dentro de la estructura de agua.
Esta "excavación" y la reorientación asociada de las moléculas de agua vecinas se produce notablemente rápido y se completa en 100 femtosegundos, donde un femtosegundo es una billonésima de segundo. La burbuja, que tiene aproximadamente 50 milmillonésimas de metro de ancho, se disocia en varios picosegundos, o una billonésima de segundo.
"¿Cómo reacciona el agua cuando se expone a la radiación? Esta es una pregunta vital", dice Inhester. "Estos son los primeros pasos de una reacción química impulsada por la radiación y que también determinan la siguiente química de la radiación, que también se aplica al material biológico."
El nuevo trabajo también se llevó a cabo como parte del Clúster de Excelencia CUI:Imágenes Avanzadas de la Materia en la Universität Hamburg. Los nuevos hallazgos proporcionan más información sobre el comportamiento del daño por radiación causado por la radiación ionizante en el agua. Esta investigación relevante sobre el agua se intensificará aún más en el emergente Centro para la Ciencia Molecular del Agua, que se está estableciendo en cooperación internacional en el campus DESY.
Más información: Arturo Sopena Moros et al, Seguimiento de la formación de cavidades en la solvatación de electrones:conocimientos de la teoría y la espectroscopia de rayos X, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11857
Información de la revista: Revista de la Sociedad Química Estadounidense
Proporcionado por Deutsches Elektronen-Synchrotron
