Primul Film Atomic Revelă Cauza Ascunsă a Deteriorării prin Radiații
Oamenii de știință au filmat atomi „rătăcind” înainte de a exploda - dezvăluind o cauză ascunsă a deteriorării prin radiații.
Procesul: Cercetarea se concentrează pe dezintegrarea mediată de transferul de electroni (ETMD), un proces declanșat de radiații care poate provoca ruperea atomilor slab legați. Acest mecanism este deosebit de important, deoarece poate genera particule extrem de reactive în apă, făcându-l un factor cheie în modul în care radiațiile deteriorează sistemele biologice.
Experimentul: Oamenii de știință au urmărit acest proces în detalii remarcabile folosind un microscop de reacție specializat, combinat cu simulări teoretice avansate. Acest lucru le-a permis să urmărească exact modul în care se desfășoară dezintegrarea în timp într-un sistem model controlat cu atenție.
Ce au descoperit: Echipa a creat efectiv un „film” în timp real al atomilor care se mișcă unii în jurul altora până la o picosecundă înainte ca sistemul să se rupă în cele din urmă. Aceasta dezvăluie un proces dinamic și în continuă schimbare, mai degrabă decât un eveniment simplu, static.
De ce este important: Aceste descoperiri oferă o imagine mai clară a modului în care se dezvoltă deteriorarea radiațiilor la nivel atomic. Înțelegând acest proces mai profund, cercetătorii pot îmbunătăți modelele efectelor radiațiilor în mediile biologice și pot ghida potențial viitoarele strategii de protecție.
Cum Radiațiile Deteriorează Celulele la Nivel Atomic
Radiațiile de înaltă energie, cum ar fi razele X, pot dăuna celulelor vii prin perturbarea atomilor și moleculelor. Când se întâmplă acest lucru, acele particule devin excitate și adesea se descompun, ceea ce poate distruge biomolecule importante și poate perturba sisteme biologice mai mari. Deoarece pot apărea multe tipuri diferite de procese de dezintegrare, oamenii de știință le studiază îndeaproape pentru a înțelege mai bine modul în care radiațiile cauzează daune și modul în care ar putea fi reduse.
Într-un nou studiu, cercetătorii de la Departamentul de Fizică Moleculară și colaboratori internaționali s-au concentrat asupra unui proces specific declanșat de radiații, numit dezintegrare mediată de transferul de electroni (ETMD). În acest proces, radiația excită mai întâi un atom. Acel atom se stabilizează apoi trăgând un electron de la un atom din apropiere, în timp ce energia eliberată ionizează un al treilea vecin. Echipa a reușit să observe direct modul în care atomii dintr-un sistem model se deplasează și se reorganizează înainte ca această dezintegrare neobișnuită să aibă loc. Rezultatele lor oferă cea mai detaliată vizualizare a spațiului real și a timpului real a ETMD până în prezent.
Urmărirea Mișcării Atomice în Timp Real
Pentru a investiga acest proces, oamenii de știință au folosit un sistem model simplu format dintr-un atom de neon legat slab de doi atomi de cripton (trimer NeKr2). După ce au eliminat un electron din atomul de neon folosind raze X moi, au urmărit modul în care sistemul a evoluat până la o picosecundă, ceea ce este extrem de lung pe o scară de timp atomică, înainte de a avea loc dezintegrarea. În acest timp, un electron a fost transferat între atomi și a fost emis un electron de energie joasă.
Folosind un microscop de reacție COLTRIMS avansat la instalațiile de sincrotron BESSY II (Berlin) și PETRA III (Hamburg), cercetătorii au reconstituit aranjamentul exact al atomilor în momentul în care a avut loc dezintegrarea. Ei au asociat aceste măsurători cu simulări ab initio detaliate care au urmărit mii de posibile căi atomice și au calculat cât de probabilă a fost dezintegrarea de-a lungul fiecăreia.
Un „Film” al Atomilor în Mișcare
Descoperirile au dezvăluit ceva neașteptat. Atomii nu au rămas fixați în loc. În schimb, s-au mișcat într-un model asemănător cu rătăcirea, schimbându-și constant pozițiile și remodelând structura sistemului. Această mișcare a afectat puternic atât sincronizarea, cât și rezultatul dezintegrării.
„Putem urmări literalmente modul în care se mișcă atomii înainte de a avea loc dezintegrarea”, spune Florian Trinter, unul dintre autorii principali. „Dezintegrarea nu este doar un proces electronic - este condusă de mișcarea nucleară într-un mod foarte direct și intuitiv.”
Studiul arată că ETMD nu are loc dintr-o singură structură stabilă. Diferite aranjamente domină în diferite momente. La început, dezintegrarea are loc în apropierea configurației originale. Mai târziu, un atom de cripton se apropie de atomul de neon, în timp ce celălalt se îndepărtează, creând condiții favorabile pentru transferul de electroni și fluxul de energie. Chiar și în stadii ulterioare, atomii formează forme mai întinse și distorsionate, reflectând o mișcare oscilantă, rătăcitoare. Aceste modificări fac ca rata de dezintegrare să varieze semnificativ în funcție de geometrie.
„Atomii explorează regiuni mari ale spațiului de configurație înainte ca dezintegrarea să aibă loc în cele din urmă”, explică Till Jahnke, autorul principal al studiului. „Aceasta arată că mișcarea nucleară nu este o corecție minoră - ea controlează fundamental eficiența dezintegrării electronice non-locale.”
De Ce Este Importantă Înțelegerea ETMD
ETMD a atras un interes din ce în ce mai mare, deoarece produce electroni de joasă energie, care pot declanșa daune chimice în lichide și materiale biologice. Cunoașterea modului în care acest proces depinde de aranjamentul și mișcarea atomică este esențială pentru modelarea cu acuratețe a deteriorării radiațiilor în apă și în mediile biologice, precum și pentru interpretarea experimentelor cu raze X ultra-rapide. Rezultatele sprijină, de asemenea, dezvoltarea de modele teoretice care pot aplica aceste perspective sistemelor mai mari și mai complexe.
Oferind un punct de referință precis pentru cel mai simplu sistem capabil de ETMD cu trei atomi, acest studiu oferă o bază pentru extinderea acestor idei la lichide, ioni solvați și sisteme biologice.
„Această lucrare arată modul în care dezintegrarea electronică non-locală poate fi utilizată ca o sondă puternică a mișcării moleculare”, concluzionează autorii. „Deschide ușa imaginii dinamicii ultra-rapide în materia slab legată cu detalii fără precedent.”