Физики впервые проследили за тем, как радиация разрушает молекулы воды

Ученые впервые проследили за тем, как радиация расщепляет молекулы воды и заставляет их вступать в сверхбыстрые химические реакции. Об этом пишет пресс-служба Аргоннской национальной лаборатории (ANL) со ссылкой на статью в научном журнале Science.

"Мы впервые проследили за самой быстрой химической реакцией, которая может происходить в ионизированной воде, – рождением гидроксильного радикала (-OH). Изучение этого иона важно само по себе, так как он легко проникает через различные барьеры в организме и может повреждать все важные биомолекулы, в том числе РНК, ДНК или белки", - рассказала Линда Янг, один из авторов работы, физик из Аргоннской национальной лаборатории.

Химические реакции протекают очень быстро. Взаимодействия между самыми простыми молекулами длятся несколько десятков фемтосекунд, квадриллионных долей секунды. За это время атомы исходных реагентов успевают провзаимодействовать друг с другом и занять новые позиции. Электроны в этих атомах успевают поменять свои позиции еще быстрее, за десятки или сотни аттосекунд, тысячных долей фемтосекунды.

Долгое время ученые считали, что подобные процессы человечество никогда не сможет изучать, однако это стало возможно после появления сверхбыстрых лазеров и ускорителей частиц, которые могут производить сверхкороткие вспышки рентгеновского и гамма-излучения длиной в несколько фемтосекунд. Опыты на подобных установках помогли физикам и химикам проверить и уточнить некоторые предсказания квантовой механики и теоретической химии.

Янг и ее коллеги проверили одно из подобных предсказаний, которое было сделано еще в середине прошлого века после первых наблюдений за тем, как радиация взаимодействует с водой. Эти эксперименты показали, что гамма-излучение выбивало электроны из ее молекул, что помогло физикам сформулировать первую теорию радиолиза воды.

Вода и радиация

Тогда ученые предположили, что ионизирующее излучение расщепляет влагу не напрямую, разлагая ее на положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные гидроксильные радикалы, а в результате серии крайне быстротечных реакций. После того, как фотон выбивает электрон из молекулы воды, она приобретает положительный заряд и притягивает своих соседей.

Когда одна из соседних молекул сближается с ней на достаточно близкое расстояние, происходит сверхбыстрая реакция, в ходе которой заряженная молекула воды отдает один из протонов и распадается. В результате этого возникает гидроксоний, комплексное соединение протона и воды (H3O+), а также OH-ион, который мгновенно соединяется с выброшенным ранее электроном.

Долгое время физики и химики считали, что этот процесс происходит так быстро, что его в принципе нельзя будет изучить. Научный коллектив под руководством Янг доказал, что это не так, впервые проследив за передачей протона и формированием ОН-иона с помощью сверхбыстрого и мощного рентгеновского лазера LCLS. В этому случае он служил как источником ионизирующего излучения, так и средством для ведения наблюдений за разрушением молекул воды.

Эти опыты показали, что вода действительно распадается по общепринятому сценарию. Кроме того, они позволили ученым точно измерить то время, которое проходит между ионизацией и распадом воды. Оно оказалось равно всего 46 фемтосекундам, что полностью укладывается в теоретические предсказания прошлого века. В свою очередь электрон соединяется с ОН-радикалом еще быстрее - всего за 14 фемтосекунд.

Последующие замеры такого рода, как надеются ученые, помогут физикам, химикам и биологам детально изучить то, как ионизирующее излучение и порождаемые им ОН-ионы повреждают ДНК и другие компоненты человеческих клеток, а также научиться отслеживать появление ионизированной воды и продуктов ее распада в различных химических средах.