Onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy hebben een belangrijke stap in de ionisatie van vloeibaar water ontdekt met behulp van de snelle "elektronencamera van het laboratorium, " MeV-UED. Deze reactie is van fundamenteel belang voor een breed scala aan velden, inclusief nucleaire techniek, ruimtereis, kankerbehandeling en milieusanering. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Wetenschap vandaag.

Wanneer hoogenergetische straling een watermolecuul raakt, het veroorzaakt een reeks ultrasnelle reacties. Eerst, het schopt een elektron uit, waardoor een positief geladen watermolecuul achterblijft. Binnen een fractie van een biljoenste van een seconde, dit watermolecuul geeft een proton af aan een ander watermolecuul. Dit leidt tot de vorming van een hydroxylradicaal (OH) - dat vrijwel elk macromolecuul in een organisme kan beschadigen, inclusief DNA, RNA en eiwitten - en een hydroniumion (H ₃ O ⁺ ), die overvloedig aanwezig zijn in het interstellaire medium en de staarten van kometen, en kan aanwijzingen bevatten over de oorsprong van het leven.

Het onstabiele paar vastleggen

In een vorige Wetenschap paper gepubliceerd in 2020, een team onder leiding van wetenschappers van het Argonne National Laboratory van de DOE gebruikte SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) röntgenlaser om te zien, Voor de eerste keer, de ultrasnelle protonoverdrachtsreactie na ionisatie van vloeibaar water. Maar tot nu toe, onderzoekers moesten het hydroxyl-hydronium-paar nog rechtstreeks observeren.

"Alle laseroperaties en radiotherapieën produceren dit onstabiele complex, wat kan leiden tot veel chemische reacties in het menselijk lichaam, ", zegt SLAC-wetenschapper en studieleider Ming-Fu Lin. "Interessant, dit complex helpt ook ons ​​drinkwater te zuiveren door ziektekiemen te doden. Het is ook van belang bij de opwekking van kernenergie, waarbij water wordt geïoniseerd door andere vormen van straling. Veel simulaties voorspellen het bestaan ​​van dit complex, maar nu hebben we eindelijk de vorming ervan waargenomen."

Om het kortstondige hydroxyl-hydroniumpaar te observeren, de onderzoekers creëerden 100 nanometer dikke stralen vloeibaar water - ongeveer 1, 000 keer dunner dan de breedte van een mensenhaar - en ioniseerde de watermoleculen met intens laserlicht. Vervolgens onderzochten ze de moleculen met korte pulsen van hoogenergetische elektronen van MeV-UED om snapshots met hoge resolutie van het ionisatieproces te genereren. Hierdoor konden ze tegelijkertijd bindingen tussen zuurstofatomen en bindingen tussen zuurstof- en waterstofatomen meten, dus het vastleggen van dit belangrijke maar onstabiele complex.

Een venster openen op chemische reacties

Opvolgen, de onderzoekers zijn van plan de beeldsnelheid te verhogen, zodat het protonoverdrachtsproces direct voorafgaand aan de vorming van de hydroxyl-hydroniumparen kan worden gemeten. Ze hopen ook het uitgeworpen elektron in het vloeibare water te observeren om beter te begrijpen hoe het het proces beïnvloedt.

"Beide onderwerpen zijn intensief bestudeerd door simulaties, maar er zijn geen directe structurele metingen gedaan om theorieën te valideren, " zegt Matthias Ihme, een universitair hoofddocent aan de afdeling Werktuigbouwkunde van de Stanford University die de theoretische analyse leidde. "Deze metingen zijn ook van cruciaal belang voor het testen van onze theoretische modellen die deze processen voorspellen."

"Veel tussenliggende toestanden en structuren in chemische reacties zijn ofwel onbekend of moeten nog direct worden waargenomen, " voegt Xijie Wang toe, een SLAC vooraanstaande stafwetenschapper en studiemedewerker. "We kunnen MeV-UED gebruiken om verschillende kortstondige en belangrijke complexen te verkennen en vast te leggen, het openen van een venster om chemische reacties te bestuderen terwijl ze zich voordoen."