Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van DESY en het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) van het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) heeft een doorbraak bereikt in het begrijpen hoe stralingsschade ontstaat. Met behulp van 's werelds krachtigste röntgenvrije-elektronenlaser heeft het team, waarbij ook onderzoekers van de Universiteit van Aarhus en de Universiteit van Hamburg betrokken zijn, in realtime waargenomen hoe schade ontstaat in een organisch moleculair kristal. Hun resultaten bieden gedetailleerd inzicht in de fundamentele mechanismen van stralingsschade op atomaire schaal.

Stralingsschade is een ernstig probleem op veel gebieden, waaronder de geneeskunde en de materiaalkunde. Het kan een aanzienlijke verslechtering van de eigenschappen van materialen veroorzaken en kan ook leiden tot schadelijke bijwerkingen bij patiënten die bestralingstherapie ondergaan. Ondanks het belang ervan zijn de exacte mechanismen van stralingsschade nog steeds niet volledig begrepen, vooral voor organische materialen zoals biologisch weefsel en farmaceutische producten.

De nieuwe studie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics, betekent een grote stap voorwaarts in ons begrip van stralingsschade. Het team gebruikte de röntgenvrije-elektronenlaser LCLS van het SLAC National Accelerator Laboratory in Californië om intense röntgenpulsen te genereren die werden gebruikt om een ​​kristal van het organische molecuul tetrafenylcyclopentadienone (TPCP) te bestralen. De röntgenfoto's veroorzaakten schade aan het kristalrooster en het team gebruikte verschillende technieken om de schade in realtime te meten.

De resultaten van het onderzoek laten zien dat stralingsschade ontstaat via een proces dat 'ionisatie-geïnduceerde bindingsverbreking' wordt genoemd. Dit gebeurt wanneer een röntgenfoton een elektron uit een atoom of molecuul slaat, waardoor een onstabiele, zeer reactieve soort ontstaat die een 'radicaal' wordt genoemd. Het radicaal kan vervolgens reageren met andere moleculen in het kristal, waardoor schade aan het kristalrooster ontstaat.

Het team constateerde ook dat de schade gelokaliseerd was in het gebied van het kristal dat door de röntgenstralen werd bestraald. Dit suggereert dat stralingsschade kan worden geminimaliseerd door gebruik te maken van zeer gerichte röntgenstralen, waardoor onderzoekers materialen op atomair niveau kunnen bestuderen zonder aanzienlijke schade aan te richten.

De nieuwe studie biedt een gedetailleerd inzicht op atomair niveau van hoe stralingsschade optreedt in organische materialen. Deze informatie is essentieel voor het ontwikkelen van nieuwe strategieën om stralingsschade te voorkomen of te minimaliseren in een breed scala aan toepassingen, waaronder geneeskunde, materiaalkunde en röntgenbeeldvorming.

Naast de onderzoekers van DESY, MPSD, Aarhus University en de Universiteit van Hamburg omvatte het team ook onderzoekers van UC Berkeley, de University of Chicago en de University of California, Irvine.