Физикам впервые удалось проследить, как радиация разрушает молекулы воды

Химические реакции в природе длятся очень быстро — десятки фемтосекунд, квадриллионных долей секунды. За это время атомы в молекулах исходных веществ успевают произвести процессы взаимодействия и занять свои новые позиции. При этом электроны в них взаимодействуют еще быстрее — за десятки или сотни аттосекунд, тысячных долей фемтосекунды.

Ученым удалось начать изучение этих процессов за счет сверхбыстрых лазеров и ускорителей частиц, которые могут производить сверхкороткие вспышки рентгеновского и гамма-излучения длиной в несколько фемтосекунд.

Физики из Аргоннской национальной лаборатории с помощью этих устройств смогли впервые посмотреть, как радиация взаимодействует с водой. Эксперименты показали, как гамма-излучение выбивает электроны из ее молекул.

Мы впервые проследили за самой быстрой химической реакцией, которая может происходить в ионизированной воде, — рождением гидроксильного радикала (-OH). Изучение такого иона важно, так как он легко проникает через различные барьеры в организме и может повреждать все важные биомолекулы, в том числе РНК, ДНК или белки.

Линда Янг, один из авторов работы

После того, как фотон выбивает электрон из молекулы воды в ходе взаимодействия с другими веществами, 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.

Опыт с молекулой воды проходил с помощью сверхбыстрого и мощного рентгеновского лазера LCLS. При этом в таком эксперименте он служит как источник ионизирующего излучения, так и как средство для изучения процесса разрушения молекул воды.