De "holle atomen", die worden geproduceerd in de laboratoria van de TU Wien (Wenen) zijn nogal exotische objecten. Hun elektronen bevinden zich in een staat van extreem hoge energie (zogenaamde Rydberg-toestanden), maar wanneer ze door een ander materiaal worden geschoten, ze kunnen deze energie in een kwestie van femtoseconden (miljoensten van een miljardste van een seconde) kwijtraken.

Voor een lange tijd, natuurkundigen speculeren hoe dit proces zo snel kan gaan. Experimenten met xenon-ionen en grafeen hebben nu aangetoond dat de oorzaak een effect is dat enorm is onderschat:het zogenaamde "interatomaire coulomb-verval". Het bestuderen van dit effect is niet alleen belangrijk voor de atoomfysica, maar ook voor onze gezondheid:wanneer biologisch materiaal wordt bestraald, het interatomaire coulombverval kan DNA-moleculen breken. Deze resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Holle Atomen

Extreme omgevingen worden gecreëerd in de labs van de TU Wien. In een ionenval, grote hoeveelheden energie worden gebruikt om een ​​groot aantal elektronen uit hun atomen te scheuren, waardoor hooggeladen ionen achterblijven. Wanneer zo'n ion op een oppervlak wordt afgevuurd, het herwint zijn elektronen, trekken ze weg van het oppervlak. Deze nieuwe elektronen echter, hebben zeer hoge energieën. Ze bezetten de buitenste elektronenschillen, ver weg van de atoomkern - terwijl in een normaal atoom, de elektronen hebben de neiging om de binnenste elektronenschillen te bezetten, waar hun energie laag is. Een atoom, waarin veel elektronen zich in de buitenste elektronenschillen bevinden, terwijl veel binnenste elektronentoestanden leeg zijn, wordt een "hol atoom" genoemd.

"Zodra deze holle atomen een vaste stof binnendringen, bijvoorbeeld, wanneer ze een dunne folie binnendringen, hun elektronische toestand verandert bijna onmiddellijk", zegt Richard Wilhelm, een wetenschapper in het team van Prof. Friedrich Aumayr aan de TU Wien. "De zeer geëxciteerde elektronen keren terug naar een staat van lagere energie. En dit gebeurt zo snel dat het jarenlang een mysterie bleef, welk proces verantwoordelijk kan zijn voor die energieoverdracht."

"De gebruikelijke mechanismen waarmee elektronen normaal gesproken hun energie kwijt kunnen raken, zijn veel te traag", zegt Friedrich Aumayr. "Daarom, verschillende ad-hoc-hypothesen zijn voorgesteld om dit fenomeen te verklaren. Maar niemand had echt een bevredigend antwoord."

Xenon en grafeen

Samen met natuurkundigen van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, het Weense team besloot het van dichterbij te bekijken. Ze gebruikten zeer zware ionen - dertigvoudig positief geladen xenon-atomen - en vuurden ze af op grafeen, 's werelds dunste materiaal, bestaande uit slechts één laag koolstofatomen. De tijd die de geladen atomen nodig hebben om het grafeen te doorkruisen is slechts één femtoseconde, maar dit ultrakorte contact is voldoende om de verdeling van elektronen volledig te veranderen.

Het experiment toonde aan dat deze herverdeling het gevolg is van een effect, wat als vrij onbelangrijk werd beschouwd - het interatomaire Coulomb-verval:de energie van een enkel elektron wordt overgebracht naar verschillende andere elektronen van naburige atomen. Het sterk geladen xenon-atoom passeert de grafeenlaag en komt tegelijkertijd in contact met meerdere koolstofatomen. De hoge energie van een elektron in het xenon-atoom wordt doorgegeven aan verschillende elektronen in het grafeen die nu hun plaats kunnen verlaten en wegvliegen - maar alleen met vrij lage energieën.

De lage energie van de resulterende elektronen is de reden waarom dit proces een interessante rol speelt in de biologie. Dergelijke interatomaire coulomb-verval kan ook optreden bij ioniserende straling (zoals gebruikt bij kankertherapie, wanneer patiënten worden bestraald met gammastraling, ionen of elektronen) verwijdert een binnenste elektron uit een atoom en laat het atoom in een zeer geëxciteerde ("holle") toestand achter. Ook in dat geval de energie kan worden verdeeld over meerdere naburige atomen, en veel langzame elektronen worden uitgezonden. Dit kan leiden tot enkel- of dubbelstrengs breuken in DNA-moleculen. In normaal menselijk weefsel, dit kan erfelijke afwijkingen of kanker veroorzaken, maar bij bestralingstherapie, dit soort DNA-schade kan zeer effectief zijn bij het vernietigen van kankercellen.

Deze nieuwe inzichten over de belangrijke rol van het interatomaire coulombverval in holle atomen openen nieuwe manieren om dit effect te bestuderen en nieuwe inzichten te verkrijgen die relevant zijn voor geneeskunde en biologie.