Jonstrålar används ofta idag vid cancerbehandling:det innebär att elektriskt laddade atomer skjuts mot tumören för att förstöra cancerceller. Fastän, det är faktiskt inte jonerna själva som orsakar den avgörande skadan. När joner tränger igenom fast material, de kan dela en del av sin energi med många individuella elektroner, som sedan fortsätter att röra sig i relativt låg hastighet — och det är just dessa elektroner som sedan förstör cancercellernas DNA.

Denna mekanism är komplex och ännu inte helt förstådd. Forskare vid TU Wien har nu kunnat visa att en tidigare föga observerad effekt faktiskt spelar en avgörande roll i detta sammanhang:på grund av en process som kallas interatomiskt Coulombic decay, en jon kan överföra ytterligare energi till omgivande atomer. Detta frigör ett stort antal elektroner, med precis rätt mängd energi för att orsaka optimal skada på cancercellernas DNA. För att förstå och ytterligare förbättra den speciella effektiviteten av jonterapi, denna mekanism måste absolut beaktas. Resultaten publicerades nyligen i specialistpublikationen Journal of Physical Chemistry Letters .

En snabb partikel – eller många långsamma

När en laddad partikel penetrerar ett material med hög hastighet - som mänsklig vävnad - lämnar den en gigantisk atomär röra i dess spår:"Detta kan utlösa en hel kaskad av effekter, säger Janine Schwestka, huvudförfattare till den senaste publikationen, som för närvarande arbetar med sin avhandling i teamet som leds av Prof. Friedrich Aumayr och Dr. Richard Wilhelm. När jonen rör sig genom andra atomer, dessa och andra partiklar kan bli joniserade, snabba elektroner flyger runt och kolliderar sedan med andra partiklar. I sista hand, en snabb, laddad jon kan utlösa en partikeldusch med hundratals elektroner var och en med mycket lägre energi.

I vardagen, vi är vana vid att snabba föremål har mer dramatiska effekter än långsammare – en fotboll som sparkas med full kraft orsakar mycket mer skada i en porslinsbutik än en som försiktigt rullas in. På atomnivå, dock, detta gäller inte:"Sannolikheten för att en långsam elektron förstör en DNA-sträng är mycket större. Omvänt, en extremt snabb elektron flyger normalt precis förbi DNA-molekylen utan att lämna ett spår, " förklarar Janine Schwestka.

Från ett elektronskal till ett annat

Teamet från TU Wien tittade nyligen närmare på en extremt speciell effekt — nämligen, interatomiskt Coulombiskt förfall. "Jonens elektroner kan anta olika tillstånd. Beroende på hur mycket energi de har, de kan placeras i ett av de inre skalen, nära kärnan, eller i ett yttre skal, " säger Janine Schwestka. Inte alla möjliga elektronutrymmen är upptagna. Om ett elektronskal i medelenergiområdet är ledigt, en elektron kan sedan passera dit från ett skal med högre energi. Detta frigör energi, som sedan kan föras till materialet via interatomiskt Coulombiskt sönderfall:"Jonen överför denna energi till flera atomer i direkt närhet samtidigt. En elektron lösgörs från var och en av dessa atomer men eftersom energin är uppdelad mellan flera atomer vi pratar om massor av riktigt långsamma elektroner, " förklarar Schwestka.

Xenon och grafen

Med hjälp av en genialisk experimentuppställning, det har nu varit möjligt att bevisa effektiviteten av denna process. Multiplicerat laddade xenonjoner skjuts mot ett grafenlager. Elektroner från de yttre xenonskalen växlar till en position i ett annat skal med mindre energi, orsakar att elektroner lossnar från många kolatomer i grafenskiktet, som sedan registreras av en detektor, för att mäta sin energi. "Faktiskt, på det här sättet, vi kunde visa att interatomiskt coulombiskt sönderfall spelar en avgörande roll för att generera ett stort antal fria elektroner i materialet, säger Prof. Friedrich Aumayr.

För att korrekt beskriva interaktionen av jonstrålar med fasta material eller organiska vävnader, denna effekt måste absolut beaktas. Det här är viktigt, å ena sidan, för att optimera jonstråleterapier för behandling av cancer, men även för andra viktiga områden, som att skydda rymdstationsbesättningarnas hälsa, där du utsätts för konstant partikelbombning från kosmisk strålning.