Un equipo internacional dirigido por Argonne ha visualizado el escurridizo y ultrarrápido proceso de transferencia de protones después de la ionización del agua.
Comprender cómo interactúa la radiación ionizante con el agua, como en los reactores nucleares enfriados por agua y otros sistemas que contienen agua, requiere vislumbrar algunas de las reacciones químicas más rápidas jamás observadas.
En un nuevo estudio de una colaboración mundial dirigida por científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur NTU Singapur, el centro de investigación alemán DESY, y realizado en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC,Los investigadores han sido testigos por primera vez de la reacción de transferencia de protones ultrarrápida después de la ionización del agua líquida.
La reacción de transferencia de protones es un proceso de gran importancia para una amplia gama de campos, incluida la ingeniería nuclear, los viajes espaciales y la remediación ambiental. La observación fue posible gracias a la disponibilidad de pulsos ultrarrápidos de rayos X de electrones libres, yes básicamente inobservable por otros métodos ultrarrápidos. Si bien estudiar las reacciones químicas más rápidas es interesante por derecho propio, esta observación del agua también tiene importantes implicaciones prácticas.
"Lo realmente emocionante es que hemos sido testigos de la reacción química más rápida en agua ionizada, lo que lleva al nacimiento del radical hidroxilo", dijo Argonne distinguió a su compañera Linda Young, la principal autora correspondiente del estudio. "El hidroxiloel radical en sí es de considerable importancia, ya que puede difundirse a través de un organismo, incluidos nuestros cuerpos, y dañar prácticamente cualquier macromolécula, incluido el ADN, el ARN y las proteínas ".
Al comprender la escala de tiempo para la formación del radical hidroxilo químicamente agresivo y, por lo tanto, obtener una comprensión mecanicista más profunda de la radiólisis del agua, en última instancia, es posible desarrollar estrategias para suprimir este paso clave que puede provocar daños por radiación.
Cuando la radiación con suficiente energía golpea una molécula de agua, desencadena un conjunto de reacciones prácticamente instantáneas. Primero, la radiación expulsa un electrón, dejando una molécula de agua cargada positivamente H 2 O + a su paso.H 2 O + es extremadamente efímero, de hecho, tan efímero que es prácticamente imposible verlo directamente en los experimentos. Dentro de una fracción de una billonésima de segundo, H 2 O + cede un protón a otra molécula de agua, creando hidronio H 3 O + y un radical hidroxilo OH.
Los científicos sabían desde hace tiempo de esta reacción, con un primer avistamiento en la década de 1960 cuando los científicos de Argonne detectaron por primera vez el electrón expulsado del agua por radiolisis. Sin embargo, sin una sonda de rayos X lo suficientemente rápida como la proporcionada por la fuente de luz coherente LinacLCLS en SLAC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, los investigadores no tenían forma de observar el ion residual positivamente cargado, la otra mitad del par de reacción.
"Ser parte de este grupo altamente colaborativo y de clase mundial fue tan emocionante como ver bailar moléculas de agua en cámara lenta después de la ionización", dijo el científico del instrumento SLAC Bill Schlotter, quien junto con Young dirigió el diseño conceptual del experimento ".Las claves para capturar el agua en acción son los pulsos ultracortos de rayos X en LCLS. Al ajustar el 'color' de estos pulsos de rayos X, podemos distinguir entre los iones específicos y las moléculas que participan ".
La tecnología "freeze-frame" que ofrece LCLS ofreció a los investigadores la primera oportunidad de observar la evolución temporal del radical hidroxilo. Si bien, según Young, a los investigadores les hubiera gustado aislar la firma espectroscópica del H 2 O + también catión radical, su vida útil es tan corta que su presencia solo se infirió de las mediciones de espectroscopía OH.
La transferencia de protones ultrarrápida que crea el radical hidroxilo da lugar a una firma espectroscópica especial que indica el aumento del radical hidroxilo y es una "marca de tiempo" para la creación inicial del H 2 O + . Según Young, los espectros de ambas especies son accesibles porque existen en una "ventana de agua" donde el agua líquida no absorbe la luz.
"El mayor logro aquí es el desarrollo de un método para observar las reacciones elementales de transferencia de protones en el agua y tener una sonda limpia para el radical hidroxilo", dijo Young. "Nadie sabía la escala de tiempo de la transferencia de protones, así que ahora nosotroslo he medido. Nadie tenía una forma de seguir el radical hidroxilo en sistemas complejos en escalas de tiempo ultrarrápidas, y ahora también tenemos una manera de hacerlo ".
Comprender la formación del radical hidroxilo podría ser de particular interés en entornos acuosos que contienen sales u otros minerales que, a su vez, podrían reaccionar con el agua ionizada o sus subproductos. Tales entornos podrían incluir depósitos de desechos nucleares u otros lugares que necesiten protección ambientalremediación
El desarrollo de la teoría detrás del experimento fue dirigido por Robin Santra, del Centro de Ciencia de Láser Libre de Electrones en DESY en Alemania. Santra demostró que a través de la absorción ultrarrápida de rayos X, los científicos podían detectar la dinámica estructural, tanto en términosde movimiento de electrones y nucleares, cerca del sitio de ionización y transferencia de protones.
"Podríamos mostrar que los datos de rayos X en realidad contienen información sobre la dinámica de las moléculas de agua que permiten la transferencia de protones", dijo Santra, quien es científico líder de DESY e investigador principal del Centro de Imágenes Ultrarrápidas de Hamburgo,un grupo de excelencia en la Universidad de Hamburgo y DESY ". En solo 50 cuatrillonésimas de segundo, las moléculas de agua circundantes literalmente se mueven sobre el H ionizado 2 O + hasta que uno de ellos se acerque lo suficiente como para agarrar uno de sus protones en una especie de apretón de manos, convirtiéndose en hidronio H 3 O + y dejando atrás el radical hidroxilo OH ".
Este trabajo fue motivado por una investigación anterior realizada por Zhi-Heng Loh de NTU Singapur, autor principal y co-autor correspondiente de este artículo.
"Desde que me uní a NTU hace nueve años, yo y los miembros de mi grupo hemos estado estudiando la dinámica ultrarrápida que acompaña a la ionización de moléculas, tanto en fase gaseosa como en medio acuoso, utilizando pulsos láser de femtosegundo que abarcan el infrarrojo hasta el extremoultravioleta. Nuestro trabajo anterior sobre agua líquida ionizada proporcionó un vistazo de la vida útil de la H 2 O + catión radical, aunque mediante sondeo indirecto en el infrarrojo cercano ", dijo Loh." Nos dimos cuenta de que era un experimento definitivo para observar el H 2 O + el catión radical requeriría un sondeo de rayos X suave, que sin embargo, está más allá de la capacidad de la mayoría de las fuentes de luz de mesa de femtosegundos. Entonces, cuando Linda se acercó a mí después de escuchar mi charla sobre agua ionizada en una reunión en 2016, y quiso colaborar enexperimento en el láser de electrones libres de rayos X LCLS, quedé absolutamente encantado "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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