Когда высокоэнергетическое излучение попадает в молекулу воды, оно запускает серию сверхбыстрых реакций. Во-первых, он выбрасывает электрон, оставляя после себя положительно заряженную молекулу воды. За долю триллионной секунды эта молекула воды отдает протон другой молекуле воды. Это приводит к созданию гидроксильного радикала (ОН), который может повредить практически любую макромолекулу в организме, включая ДНК, РНК и белки, и иона гидроксония (H3O +), которых много в межзвездной среде и в хвостах кометы и могут содержать ключи к разгадке происхождения жизни.
Захват нестабильной парыВ предыдущей научной статье, опубликованной в 2020 году, группа под руководством ученых Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США использовала рентгеновский лазер Linac Coherent Light Source (LCLS) SLAC, чтобы впервые засвидетельствовать сверхбыструю реакцию переноса протона после ионизации жидкости. воды.
Но до сих пор исследователям еще не приходилось напрямую наблюдать пару гидроксил-гидроксоний.«Все лазерные операции и лучевая терапия производят этот нестабильный комплекс, который может привести к множеству химических реакций в организме человека», — говорит ученый SLAC и руководитель исследования Минг-Фу Линь. «Интересно, что этот комплекс также помогает очищать нашу питьевую воду, убивая микробы.
Он также важен для производства ядерной энергии, где вода ионизируется другими формами излучения. Многие моделирование предсказывают существование этого комплекса, но теперь мы, наконец, наблюдаем его формирование ".Чтобы наблюдать за короткоживущей парой гидроксил-гидроксоний, исследователи создали струи жидкой воды толщиной 100 нанометров — примерно в 1000 раз тоньше ширины человеческого волоса — и ионизировали молекулы воды с помощью интенсивного лазерного света. Затем они исследовали молекулы короткими импульсами высокоэнергетических электронов от MeV-UED, чтобы получить снимки процесса ионизации с высоким разрешением.
Это позволило им одновременно измерять связи между атомами кислорода и связи между атомами кислорода и водорода, таким образом фиксируя этот важный, но нестабильный комплекс.Открытие окна о химических реакцияхВ дальнейшем исследователи планируют увеличить скорость визуализации, чтобы процесс переноса протона можно было измерить непосредственно до образования пар гидроксил-гидроксоний. Они также надеются наблюдать выброшенный электрон в жидкой воде, чтобы лучше понять, как он влияет на процесс.
«Обе темы были интенсивно изучены с помощью моделирования, но никаких прямых структурных измерений для подтверждения теорий не проводилось», — говорит Маттиас Ихме, доцент кафедры машиностроения Стэнфордского университета, руководивший теоретическим анализом. «Эти измерения также имеют решающее значение для проверки наших теоретических моделей, которые предсказывают эти процессы».«Многие промежуточные состояния и структуры в химических реакциях либо неизвестны, либо еще предстоит наблюдать напрямую», — добавляет Сицзе Ван, выдающийся штатный ученый SLAC и соавтор исследования. «Мы можем использовать MeV-UED для исследования и захвата различных короткоживущих и важных комплексов, открывая окно для изучения химических реакций по мере их протекания».
MeV-UED — это инструмент пользовательского центра LCLS, которым управляет SLAC от имени Управления науки Министерства энергетики США, которое финансировало это исследование.