Vad händer när strålning träffar vatten? Detta är en fråga som påverkar varje gång du får en röntgen på läkarmottagningen, eftersom du till största delen är gjord av vatten. Ett team av teoretiska fysiker vid DESY har arbetat på data som tagits av kollegor från Argonne National Laboratory i USA vid LCLS-röntgenlasern i Kalifornien för att få ett bättre svar på denna fråga.
Vad de hittade kan avgöra en kontrovers inom fysiken om förekomsten av fria elektroner i vatten och hur de beter sig på mycket korta tidsskalor:elektronerna, obundna till atomer, blir sekvestrerade i bubblor i burliknande strukturer mellan enskilda vattenmolekyler. Dessa fynd rapporteras i Journal of the American Chemical Society .
Fria elektroner är elektroner som inte är bundna till atomer. I vatten som kommer i kontakt med strålning kommer fria elektroner ut från vattenmolekylerna när de joniseras på grund av strålningen. Hur elektronerna flyter mellan vattenmolekylerna i denna situation har varit ett diskussionsämne under en längre tid.
I sitt arbete på LCLS vid SLAC National Accelerator Laboratory såg experimentteamet, ledd av Argonne-forskaren Linda Young, udda signaturer förknippade med vattenmolekylerna som exciterades av lasrar och avbildades av röntgenlasern. De hittade strukturer bland molekylerna med hjälp av röntgenabsorptionsspektroskopi. För att få en bättre förståelse för vad dessa resultat betydde vände sig experimentteamet till teoretiska fysiker i Hamburg.
Ett team ledd av DESY-forskaren Ludger Inhester från Center for Free-Electron Laser Science undersökte data och började göra modeller från data i samordning med experimentteamet. Tillsammans visar deras fynd att de fria elektronerna i vattnet bildar bubbelstrukturer som sedan är inkapslade av vattenmolekyler, liknande hur kemikalier löses i vatten på molekylär nivå. I synnerhet lyckades DESY-teamet visa processen bakom denna lösning av elektroner i vattnet och dess parametrar.
"Det visar sig att upplösningsprocessen och därmed bildandet av burstrukturerna är anmärkningsvärt känsliga för temperaturförändringar i vattnet", säger Arturo Sopena, studiens första författare.
De nya insikterna i solvateringsprocessen visar att elektronen, som till en början kan hittas över ett brett område bland vattenmolekylerna, dockar på specifika vätebindningsmönster som uppstår i det molekylära flytande vattnet och sedan "gräver sig" djupare in i ett mycket smalt område inom vattenstrukturen.
Denna "grävning" och den tillhörande omorienteringen av de närliggande vattenmolekylerna sker anmärkningsvärt snabbt och är klar inom 100 femtosekunder, där en femtosekund är en kvadriljondels sekund. Bubblan, som är cirka 50 miljarddels meter bred, lossnar inom flera pikosekunder, eller en biljondels sekund.
"Hur reagerar vatten när det utsätts för strålning? Det här är en viktig fråga", säger Inhester. "Detta är de första kemiska reaktionsstegen som drivs av strålningen som också bestämmer följande strålningskemi, som även gäller för biologiskt material."
Det nya arbetet utfördes också som en del av Cluster of Excellence CUI:Advanced Imaging of Matter vid Universität Hamburg. De nya rönen ger ytterligare insikt i beteendet hos strålskador orsakade av joniserande strålning i vatten. Sådan vattenrelevant forskning ska intensifieras ytterligare vid det framväxande Center for Molecular Water Science, som etableras i internationellt samarbete på DESY-campus.
Mer information: Arturo Sopena Moros et al, Tracking Cavity Formation in Electron Solvation:Insights from X-ray Spectroscopy and Theory, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11857
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Deutsches Elektronen-Synchrotron
