Pressmeddelande: Jonisation av vatten; en ultrasnabb historia om hur radikaler bildas

– Det är fantastiskt att en faktiskt kan följa så snabba processer och dessutom i ett så komplicerat system som vatten. Vi såg tidigt att det bildades hydroxylradikaler efter jonisationen, men jag hade knappt vågat hoppas på att vi skulle se hur det går till, säger Ludvig Kjellsson, doktorand vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet och en av studiens medförfattare.

Vad som händer när vatten joniseras är viktigt inom allt från grundläggande molekylfysik, till kemi och biologi. Förståelsen för de processer som sätts igång när vatten joniseras har också direkt praktisk betydelse för tekniska tillämpningar där joniserande strålning förekommer. Kylvattnet i våra kärnreaktorer utsätts för joniserande strålning, vilket bidrar till korrosion av de material som vattnet kommer i kontakt med. Levande organismer består till största delen av vatten, och vid medicinsk behandling och diagnostik med joniserande strålning är det i huvudsak vatten som joniseras. Studien visar alltså vad som händer på atomnivå när vi utsätts för joniserande strålning.

Forskarna har använt de korta intensiva röntgenpulser som skapas av frielektronlasern LCLS i Stanford för att få en klar bild av de snabba processerna. Efter några få femtosekunder (miljondels miljarddels sekunder) lokaliseras den vakans i elektronhöljet som uppstår vid jonisationen. Det blir en positivt laddad H2O+-jon som är så kortlivad, att den inte har kunnat påvisas förut. I den här studien kan forskarna för första gången följa processen när denna molekyljon ger ifrån sig en av sina protoner till en grannmolekyl så att en H3O+-jon och en OH-radikal bildas. Mätningarna visar att processen tar ungefär 46 femtosekunder, och därefter ser man hur energin i OH-radikalens kärnrörelser sprider sig i vattnet, och slutligen fångas en av de frigjorda elektronerna från jonisationsprocessen in så att en OH--jon bildas.

Genom en djupare mekanistisk förståelse av hur den kemiskt aggressiva hydroxylradikalen bildas vid radiolys av vatten, kan det i förlängningen bli möjligt att utveckla strategier för att undertrycka processen och därmed undvika strålningsskador.

Studier av den här typen är alltid frukten av samarbeten som involverar ett stort antal forskargrupper. Arbetet har letts av Linda Young vid Argonne National Laboratory i Chicago.

– Linda är en av pionjärerna när det gäller experiment med molekyler vid frielektronlaseranläggningar, och hon har en utmärkt förmåga att organisera forskningsexpeditioner av det här slaget, som sammanför experter från olika områden. Hon kontaktade mig för att diskutera vad man kan göra med röntgenspektroskopi, som är mitt specialområde, säger Jan-Erik Rubensson, professor i fysik vid Uppsala universitet.

Samarbetet har samlat forskare med olika nyckelkompetenser: Zhi-Heng Loh från NTU Singapore är specialist på tidsupplösta studier och har länge studerat snabba processer i vätskor. Bill Schlotter vid SLAC har varit oumbärlig med sin energi, entusiasm och sin djupa kunskap om instrumenten vid LCLS. För tolkningen av de experimentella resultaten har avancerad teori utvecklats av Robin Santra vid CFEL i Hamburg, som är den ledande teoretikern inom fältet.

Kontakt:

Ludvig Kjellsson, doktorand vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet
E-post: ludvig.kjellsson@physics.uu.se

Artikelreferens:

Z.-H. Loh et al; Observation of the fastest chemical processes in the radiolysis of water. Science 10 Jan 2020: Vol. 367, Issue 6474, pp. 179-182.

Elin Bäckström

Läs mer om forskningen:

Scientists observe ultrafast birth of radicals pressmeddelande om forskningen (Argonne National Laboratory).

Researchers observe ultrafast birth of free radicals in water artikel om forskningen (Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY).