Onderzoekers onder leiding van Kiyoshi Ueda van de Tohoku University hebben onderzocht wat röntgenstraling in materie werkelijk doet en hebben een nieuw mechanisme geïdentificeerd voor het produceren van vrije elektronen met lage energie. Omdat de laagenergetische elektronen schade aan de materie veroorzaken, het geïdentificeerde proces kan belangrijk zijn bij het begrijpen en ontwerpen van bestralingsbehandeling van ziekten.

Röntgenfoto's zijn een van de belangrijkste diagnostische hulpmiddelen in de geneeskunde, biologie en materiaalwetenschappen, omdat ze diep kunnen doordringen in materiaal dat ondoorzichtig is voor het menselijk oog. Hun passage door een monster, echter, bijwerkingen kunnen hebben, omdat de absorptie van röntgenstralen energie afgeeft in diepe lagen van het monster. In extreme gevallen, de toepassing van röntgenstralen wordt beperkt door deze bijwerkingen, bekend als 'stralingsschade'. Geneeskunde is een gebied waarin de geabsorbeerde röntgendosis moet worden geminimaliseerd.

Verrassend genoeg, het is onduidelijk wat er gebeurt als een röntgenfoto wordt geabsorbeerd, bijvoorbeeld, in biologisch weefsel bestaande uit water, biomoleculen en sommige metaalatomen. Een reden hiervoor is dat de eerste paar reactiestappen na de absorptie van een röntgenfoto, gebeuren extreem snel, binnen 10-100 femtoseconden. Een femtoseconde is de SI-eenheid van tijd gelijk aan 10-15. Met andere woorden, het is een miljoenste van een miljardste van een seconde.

Binnen deze tijd, in een complexe cascade van gebeurtenissen, meerdere elektronen worden uitgezonden, en positief geladen reactieve deeltjes (ionen) worden gecreëerd. De meeste experimenten die tot nu toe zijn uitgevoerd, konden deze eindtoestand pas karakteriseren lang nadat de cascaderingsreactie was voltooid. Echter, het is het precieze begrip van de tussenstappen die erg belangrijk is voor het voorspellen en ontwerpen van stralingseffecten in materie.

Het team heeft nu een experiment uitgevoerd dat een ongekend gedetailleerd beeld gaf van de eerste paar honderd fs na absorptie van een röntgenfoto door materie.

In een biologisch systeem, veel watermoleculen zijn flexibel gerangschikt rond de biologisch functionele moleculen, zonder hen sterk te binden.

Als modelsysteem daarvoor, een flexibele, zwak gebonden aggregaat van twee verschillende edelgassen, Ne en Kr, werd gecreëerd door ze af te koelen tot extreem lage temperaturen. Deze Ne-Kr-clusters werden vervolgens blootgesteld aan gepulseerde röntgenstralen van de SPring-8-synchrotronstralingsbron die, onder de voor het experiment gekozen omstandigheden, bij voorkeur geïoniseerde Ne-atomen.

Door gebruik te maken van een geavanceerde experimentele opstelling, het team was in staat om alle elektronen en ionen vast te leggen die bij elke röntgenopname-gebeurtenis werden gecreëerd. Ze ontdekten dat slechts een paar honderd fs na de eerste ionisatie, het Ne-atoom dat de röntgenstraling had geabsorbeerd, evenals twee naburige Kr-atomen, waren allemaal in een geïoniseerd, positief geladen toestand.

Het mechanisme waarmee deze ultrasnelle herverdeling van lading verloopt, theoretisch voorgesteld door onderzoeksteamlid Lorenz Cederbaum, is het 'Electron Transfer Mediated Decay' (ETMD) genoemd. Het bestaat uit elektronenoverdracht naar het oorspronkelijk geïoniseerde Ne-atoom gekoppeld aan energieoverdracht weg van het Ne, wat leidt tot ionisatie van het tweede Kr-atoom in de buurt. Het experiment toont duidelijk aan dat sterk gelokaliseerde lading geproduceerd door röntgenstraling in materie, herverdeelt zich in een verrassend korte tijd over veel atomaire locaties.

Kiyoshi Ueda zegt:'Wij geloven dat het begrijpen van door röntgenstraling geïnitieerde processen op microscopisch niveau zal leiden tot nieuwe inzichten in alle disciplines van de natuurkunde, biologie en scheikunde.'

Deze resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .