Международные ученые, химики и физики, провели эксперимент, в ходе которого был выявлен важный этап ионизации жидкой воды. Этот процесс имеет значение для различных сфер, таких как ядерная инженерия, космические исследования, лечение онкологических заболеваний и восстановление экологии.
Радиолиз воды, представляющий собой ее разложение под воздействием ионизирующего излучения, – распространенное в природе явление, имеющее ключевое значение для множества биохимических и технологических процессов. Под действием высокоэнергетического излучения в воде протекает последовательность сверхскоростных реакций. Сначала луч лазера удаляет электрон из молекулы воды, приводя к образованию положительно заряженной частицы. Затем, в течение триллионной доли секунды, эта молекула передает свой протон – положительно заряженный атом водорода – соседней молекуле воды. В результате первая молекула трансформируется в высокоактивный гидроксильный радикал ⋅OH, а вторая приобретает заряд иона гидроксония H 3O+.
Каждое соединение, возникающее в ходе этого процесса, представляет научный интерес: гидроксильный радикал отличается высокой реакционной способностью и способен взаимодействовать с крупными молекулами – ДНК, РНК и белками, что может привести к повреждению живых организмов; ион гидроксония, обнаруживаемый в составе комет, потенциально содержит информацию о происхождении жизни.
Ранее исследователи экспериментально показали, как происходит образование свободного радикала ⋅OH. О дальнейших превращениях свидетельствовали многочисленные симуляции, а новое исследование, опубликованном в журнале Science, ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC впервые зафиксировали существование гидроксил-гидроксониевой пары.
Для изучения недолговечного комплекса гидроксил-гидроксоний ученые создавали струи жидкой воды шириной 100 нанометров — сопоставимой с размером вируса — и подвергали молекулы воды ионизации с помощью лазерного луча. Молекулярные изменения, возникающие в процессе, отслеживались с помощью сверхбыстрой электронной дифракции, технологии, позволяющей получать «молекулярные видео» с высоким временным и пространственным разрешением.
По принципу действия метод сверхбыстрой электронной дифракции похож на рентгеновскую видеокамеру для молекул. На исследуемый материал направляют пучок электронов, а затем анализируют траектории электронов, прошедших сквозь него. В отличие от рентгеновского излучения, электронный пучок чувствителен не только к электронам, но и к ядрам изучаемого материала, что позволяет детальнее исследовать структуру. А серия очень коротких импульсов помогает делать картинки одну за другой, фиксируя быстрые изменения.
В последующих исследованиях авторы намерены повысить скорость визуализации и изучить процесс переноса протона, предшествующий образованию пар гидроксил-гидроксоний, а также проанализировать траекторию электрона, выбитого лазером.