Burbujas de electrones modeladas a partir de datos láser de rayos X
Un equipo internacional de científicos descubre un modelo innovador sobre los efectos de la radiación en los sistemas hídricos
¿Qué ocurre cuando la radiación entra en contacto con el agua? Es una pregunta que se plantea cada vez que te hacen una radiografía en la consulta del médico, ya que la mayor parte de tu cuerpo está hecho de agua. Un equipo de físicos teóricos del DESY ha trabajado con datos tomados por colegas del Laboratorio Nacional Argonne (EE.UU.) en el láser de rayos X LCLS (California) para responder mejor a esta pregunta. Lo que han descubierto podría zanjar una controversia en física sobre la presencia de electrones libres en el agua y su comportamiento en escalas de tiempo muy cortas: los electrones, no ligados a átomos, quedan secuestrados en burbujas en estructuras similares a jaulas entre moléculas de agua individuales. Estos resultados se publican en la revista Journal of the American Chemical Society.
Utilizando el láser de rayos X LCLS de California, el equipo del experimento, dirigido por la científica de Argonne Linda Young, pudo obtener imágenes de las estructuras de las moléculas de agua que rodeaban las burbujas de electrones. El equipo teórico de Hamburgo, dirigido por Ludger Inhester, científico titular del CFEL, pudo modelizar el comportamiento de la burbuja a partir de los datos del equipo experimental.
DESY/ Arturo Sopena Moros
En su trabajo en el LCLS, en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, el equipo experimental, dirigido por la científica de Argonne Linda Young, observó extrañas firmas asociadas a las moléculas de agua excitadas por láser y captadas por el láser de rayos X. Encontraron estructuras entre las moléculas mediante espectroscopia de absorción de rayos X. Para comprender mejor el significado de estos resultados, el equipo del experimento recurrió a físicos teóricos de Hamburgo.
Un equipo dirigido por el científico del DESY Ludger Inhester, del Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres, examinó los datos y comenzó a elaborar modelos a partir de ellos en coordinación con el equipo experimental. En conjunto, sus hallazgos muestran que los electrones libres en el agua forman estructuras de burbujas que luego son enjauladas por moléculas de agua, de forma similar a cómo las sustancias químicas se disuelven en el agua a nivel molecular. En concreto, el equipo del DESY consiguió mostrar el proceso que subyace a esta disolución de electrones en el agua y sus parámetros.
"Resulta que el proceso de disolución y, por tanto, la formación de las estructuras en jaula es notablemente sensible a los cambios de temperatura del agua", afirma Arturo Sopena, primer autor del estudio. Los nuevos conocimientos sobre el proceso de disolución muestran que el electrón, que al principio puede encontrarse en una amplia zona entre las moléculas de agua, se acopla a patrones específicos de enlaces de hidrógeno que se producen en el agua líquida molecular y luego "madriguera" más profundamente en una zona muy estrecha dentro de la estructura del agua. Esta "madriguera" y la reorientación asociada de las moléculas de agua vecinas se producen con notable rapidez y se completan en 100 femtosegundos, donde un femtosegundo es la cuatrillonésima parte de un segundo. La burbuja, que tiene una anchura de unas 50 milmillonésimas de metro, se disocia en varios picosegundos, es decir, una trillonésima de segundo.
"¿Cómo reacciona el agua cuando se expone a la radiación? Es una pregunta vital", afirma Inhester. "Estos son los primeros pasos de la reacción química impulsada por la radiación que también determinan la química de la radiación siguiente, que también se aplica al material biológico".
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Publicación original
Arturo Sopena Moros, Shuai Li, Kai Li, Gilles Doumy, Stephen H. Southworth, Christopher Otolski, Richard D. Schaller, Yoshiaki Kumagai, Jan-Erik Rubensson, Marc Simon, Georgi Dakovski, Kristjan Kunnus, Joseph S. Robinson, Christina Y. Hampton, David J. Hoffman, Jake Koralek, Zhi-Heng Loh, Robin Santra, Ludger Inhester, Linda Young; "Tracking Cavity Formation in Electron Solvation: Insights from X-ray Spectroscopy and Theory"; Journal of the American Chemical Society, 2024-1-25
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