Sinds de ontdekking van de dubbele helixvorm van DNA en de hypothese van DNA-mutatie veroorzaakt door protonoverdracht meer dan 50 jaar geleden, het is erkend dat protonoverdracht cruciaal is voor veel chemische en biologische processen.

Aangezien bekend is dat deze processen relevant zijn voor biofysica en bestralingstherapie, de vraag rijst of een massief ion kan worden overgedragen in biochemische processen en tot fragmentatie kan leiden. specifiek, in een complexe bio-omgeving, speelt zware ionenoverdracht een rol?

Gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 12 juni, een groep onderzoekers beantwoordt deze vragen met een studie van een nieuw kanaal met zware N ⁺ ionenoverdracht waargenomen in een geladen Van der Waals-cluster.

De studie werd uitgevoerd door een team van onderzoekers van het Institute of Modern Physics (IMP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde en Computational Mathematics, en Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP) in Frankrijk.

"Kleine van der Waals-systemen kunnen worden gebruikt als experimenteel haalbare modelsystemen, " zei Prof. Zhu Xiaolong van IMP, een van de eerste auteurs. Van der Waals (vdW) clusters zijn zwak gebonden atomaire/moleculaire systemen. "Ze komen veel voor in de natuur en zijn belangrijk voor het begrijpen van micro-omgevingschemische fenomenen in biosystemen."

Interatomair Coulomb-verval is een typisch proces dat de overdracht van energie en lading over een grote afstand tussen atomaire componenten in een cluster aantoont en resulteert in fragmentatie, waaruit blijkt dat verboden kanalen voor geïsoleerde atomen/moleculen kunnen worden geopend vanwege de aanwezigheid van naburige atomen. Hier, de energie- en ladingsoverdrachten worden gemedieerd door virtuele foton- of Coulomb-interactie.

In clusters van waterstofbruggen, ook het protonenoverdrachtsproces speelt een belangrijke rol. Het gaat om massa- en ladingsmigratie over grote afstanden binnen het cluster en resulteert in fragmentatie van de laatste. Hoe dan ook, in eerder onderzoek, dit soort overdrachtsproces was beperkt tot clusters van waterstofbruggen.

In het huidige werk de wetenschappers gebruikten de neutrale vdW-cluster N ₂ Ar als doelwit bij botsingen met 1 MeV Ne ⁸⁺ ionen om de dubbel geladen cluster te produceren ( N ₂ Ar ) ²⁺ .

Verrassend genoeg, een exotische zware N ⁺ ionenoverdrachtskanaal (N ₂ ar) ²⁺ → Nee ⁺ + NA ⁺ werd waargenomen. Het is de eerste keer dat een dergelijk overdrachtsproces van zware ionen in een vdW-cluster ooit is gemeld en de daaruit voortvloeiende vorming van NA ⁺ is een nieuw scenario.

Volgens de studie, dit kanaal is afkomstig van de dissociatie van de bovenliggende dubbel geladen cluster N ₂ ²⁺ Ar gegenereerd door de "N ₂ -site" twee-elektron verliesproces.

Uit theoretische berekeningen blijkt dat de polarisatie-interacties tussen Ar en N ₂ ²⁺ eerst leiden tot een isomerisatieproces van N ₂ ²⁺ Ar van zijn aanvankelijke T-vorm naar een lineaire vorm (N-N-Ar).

In aanvulling, het naburige neutrale Ar-atoom verlaagt de N ₂ ²⁺ hoogte en breedte van de barrière, wat resulteert in een aanzienlijk kortere levensduur voor de metastabiele elektronische toestand.

Bijgevolg, het uiteenvallen van de covalente N ⁺ -N ⁺ band, de tunneling uit de N ⁺ ion van de N ₂ ²⁺ potentieel goed, evenals de vorming van de N-Ar ⁺ gebonden systeem vinden bijna gelijktijdig plaats. Dan begint de Coulomb-explosie tussen N ⁺ en NA ⁺ ionen paren.

"Dit nieuwe mechanisme kan algemeen zijn voor moleculaire dimeerionen in de aanwezigheid van een naburig atoom, en van potentieel belang zijn bij het begrijpen van de microdynamica van biologische systemen, " zei Prof. Ma Xinwen van IMP, een van de corresponderende auteurs van dit artikel. "Bijvoorbeeld, het kan ons helpen het micromechanisme van kankertherapie door zware ionenbestraling te begrijpen."