Een enkele röntgenfoto kan een enorm molecuul ontrafelen, natuurkundigen rapporteren in het nummer van 17 maart van Fysieke beoordelingsbrieven . Hun bevindingen kunnen leiden tot veiligere medische beeldvorming en een meer genuanceerd begrip van de elektronica van zware metalen.

Medische beeldvormingstechnieken zoals MRI's gebruiken zware metalen uit de onderkant van het periodiek systeem als "kleurstoffen" om bepaalde weefsels beter zichtbaar te maken. Maar deze metalen genaamd lanthaniden, zijn giftig. Om de persoon die de MRI krijgt te beschermen, sommige scheikundigen wikkelen de lanthanide in een kooi van koolstofatomen.

Moleculair fysicus Razib Obaid en zijn mentor, Prof. Norah Berra van de afdeling natuurkunde, wilde meer weten over hoe de lanthaniden interageren met de koolstofkooien waarin ze zijn gewikkeld. De kooien, 80 koolstofatomen sterk, worden fullerenen genoemd en hebben de vorm van voetballen. Ze binden zich niet echt aan het lanthanide; het metaal drijft in de kooi. Er zijn veel vergelijkbare situaties in de natuur. eiwitten, bijvoorbeeld, hebben vaak een metaal dat dicht bij een gigantische organische hangt (dat wil zeggen, meestal gemaakt van koolstof) molecuul.

Dus Obaid en zijn team van medewerkers van de Kansas State University, Pulse Instituut in Stanford, Max Planck Instituut in Heidelberg, en de Universiteit van Heidelberg bestudeerde hoe drie atomen van het lanthanide-element holmium in een 80-koolstoffulereen reageerden op röntgenstraling. Hun eerste gok was dat toen een röntgenstraal voor het eerst een van de holmiumatomen raakte, het zou worden geabsorbeerd door een elektron. Maar dat elektron zou zo bekrachtigd worden door de geabsorbeerde röntgenstraling dat het regelrecht uit het atoom zou vliegen, een lege plek achterlaten. Die plek zou dan ingenomen worden door een van de andere holmium-elektronen, die vanaf de buitenrand van het atoom naar beneden zou moeten springen om het te vullen. Dat elektron was vroeger een partnerschap aangegaan met een ander elektron aan de rand van het atoom. Toen het naar beneden sprong, zijn eenzame ex, een Auger-elektron genoemd, zou wegzoomen van het hele molecuul en gedetecteerd worden door de wetenschappers. Zijn kenmerkende energie zou het verraden.

Het klinkt ingewikkeld, maar dat zou het eenvoudigste (en dus meest waarschijnlijke) scenario zijn geweest, dachten de fysici. Maar het is niet wat ze zagen.

Toen Obaid en zijn collega's het holmium-fullereen-molecuul zapten met een zachte röntgenstraal (ongeveer 160 elektronvolt), het aantal gedetecteerde Auger-elektronen was te laag. En te veel van de elektronen hadden veel minder energie dan de Auger-elektronen zouden moeten hebben.

Na wat rekenwerk, het team kwam erachter dat er meer aan de hand was dan ze hadden geraden.

Eerst, de röntgenfoto zou het holmium raken, die een elektron zou verliezen. De lege plek zou dan worden opgevuld door het buitenste randelektron van het holmiumatoom. Zoveel klopte. Maar de energie die vrijkomt door het springende elektron (wanneer het 'naar beneden' springt van de rand van het atoom naar het binnenste, het springt ook 'naar beneden' in energie) zou dan worden geabsorbeerd door de koolstof fullereen kooi of een van de naburige holmiumatomen. In elk geval, de energie zou ervoor zorgen dat een extra elektron wegzoomt van wat het heeft geabsorbeerd, de fullereen kooi of het holmiumatoom.

Het verliezen van deze meerdere elektronen destabiliseerde het hele molecuul, die dan helemaal uit elkaar zou vallen.

Het eindresultaat?

"Je kunt stralingsschade veroorzaken door slechts één atoom op 84 te raken, " zegt Obaid. Dat wil zeggen, een enkele röntgeninslag is voldoende om het hele molecuulcomplex te vernietigen via dit energieoverdrachtsproces waarbij naburige atomen betrokken zijn. Het geeft enig inzicht in hoe stralingsschade ontstaat in levende systemen, zegt Obaid. Er werd altijd gedacht dat straling weefsel beschadigde door elektronen direct weg te strippen. Dit experiment laat zien dat interacties tussen een geïoniseerd atoom of molecuul en zijn buren zelfs meer schade en verval kunnen veroorzaken dan de oorspronkelijke bestraling.

Het werk geeft medisch fysici ook een idee van hoe ze de blootstelling van patiënten aan zware metalen die als kleurstoffen in medische beeldvorming worden gebruikt, kunnen beperken. Het afschermen van alle delen van het lichaam tegen de straling, behalve die welke met kleurstoffen van zware metalen moeten worden afgebeeld, kan de blootstelling aan zware metalen en de stralingsschade mogelijk beperken, zeggen de onderzoekers. De volgende stap van dit werk zou zijn om precies te begrijpen hoe snel deze interactie met de buren plaatsvindt. De onderzoekers verwachten dat dit binnen enkele femtoseconden zal plaatsvinden (10 ^-15 s).