Forskare vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har avslöjat ett nyckelsteg i joniseringen av flytande vatten med hjälp av labbets höghastighets "elektronkamera, " MeV-UED. Denna reaktion är av grundläggande betydelse för ett brett spektrum av områden, inklusive kärnteknik, rymdresor, cancerbehandling och miljösanering. Deras resultat publicerades i Vetenskap i dag.

När högenergistrålning träffar en vattenmolekyl, det utlöser en rad ultrasnabba reaktioner. Först, det sparkar ut en elektron, lämnar efter sig en positivt laddad vattenmolekyl. Inom en bråkdel av en biljondels sekund, denna vattenmolekyl ger upp en proton till en annan vattenmolekyl. Detta leder till skapandet av en hydroxylradikal (OH) – som kan skada praktiskt taget vilken makromolekyl som helst i en organism, inklusive DNA, RNA och proteiner - och en hydroniumjon (H ₃ O ⁺ ), som finns rikligt i det interstellära mediet och svansar av kometer, och kan innehålla ledtrådar om livets ursprung.

Fångar det instabila paret

I en tidigare Vetenskap tidning publicerad 2020, ett team ledd av forskare vid DOE:s Argonne National Laboratory använde SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser för att bevittna, för första gången, den ultrasnabba protonöverföringsreaktionen efter jonisering av flytande vatten. Men tills nu, forskare hade ännu inte direkt observerat hydroxyl-hydronium-paret.

"Alla laseroperationer och strålbehandlingar producerar detta instabila komplex, som kan leda till många kemiska reaktioner i människokroppen, " säger SLAC-forskaren och studieledaren Ming-Fu Lin. "Intressant nog, Detta komplex hjälper också till att rena vårt dricksvatten genom att döda bakterier. Det är också av betydelse vid kärnkraftsproduktion där vatten joniseras av andra former av strålning. Många simuleringar förutspår existensen av detta komplex men nu har vi äntligen observerat dess bildande."

För att observera det kortlivade hydroxyl-hydronium-paret, forskarna skapade 100 nanometer tjocka strålar av flytande vatten - ungefär 1, 000 gånger tunnare än bredden på ett människohår – och joniserade vattenmolekylerna med intensivt laserljus. Sedan sonderade de molekylerna med korta pulser av högenergielektroner från MeV-UED för att generera högupplösta ögonblicksbilder av joniseringsprocessen. Detta gjorde att de kunde mäta bindningar mellan syreatomer och bindningar mellan syre- och väteatomer samtidigt, på så sätt fånga detta viktiga men instabila komplex.

Öppnar ett fönster för kemiska reaktioner

Att följa upp, forskarna planerar att öka avbildningshastigheten så att protonöverföringsprocessen kan mätas direkt innan bildandet av hydroxyl-hydronium-paren. De hoppas också kunna observera den utstötta elektronen i det flytande vattnet för att bättre förstå hur det påverkar processen.

"Båda ämnena har studerats intensivt genom simuleringar, men inga direkta strukturella mätningar har gjorts för att validera teorier, säger Matthias Ihme, en docent vid Stanford University Mechanical Engineering-avdelningen som ledde den teoretiska analysen. "Dessa mätningar är också avgörande för att testa våra teoretiska modeller som förutsäger dessa processer."

"Många mellanliggande tillstånd och strukturer i kemiska reaktioner är antingen okända eller har ännu inte observerats direkt, " tillägger Xijie Wang, en framstående SLAC-forskare och studiesamarbetspartner. "Vi kan använda MeV-UED för att utforska och fånga olika kortlivade och viktiga komplex, öppna ett fönster för att studera kemiska reaktioner när de inträffar."