Los científicos filman el átomo “girando” antes de la explosión, revelando el factor oculto del daño por radiación.
- Proceso: La investigación se centra en la desintegración mediada por transferencia de electrones (ETMD), un proceso impulsado por radiación que puede disociar átomos débilmente unidos. Este proceso es particularmente importante porque puede crear partículas altamente reactivas en el agua, un factor clave en cómo la radiación daña los sistemas biológicos.
- Prueba: Los científicos siguieron este proceso con extraordinario detalle utilizando un microscopio de reacción especial combinado con simulaciones teóricas avanzadas. Esto les permite seguir con precisión cómo se desarrolla la descomposición a lo largo del tiempo en un sistema modelo cuidadosamente controlado.
- Lo que descubrieron: El equipo creó una “película” en tiempo real de los átomos girando entre sí durante un picosegundo antes de que el sistema finalmente colapsara. Expresa un proceso dinámico y en constante cambio más que un fenómeno simple y estático.
- Por qué es importante: Estos resultados proporcionan una imagen clara de cómo se desarrolla el daño por radiación a nivel atómico. Al obtener una comprensión más profunda de este proceso, los investigadores pueden mejorar los modelos de los efectos de la radiación en entornos biológicos y potencialmente guiar futuras estrategias de protección.
Cómo la radiación daña las células a nivel atómico
La radiación de alta energía, como los rayos X, puede dañar las células vivas al alterar los átomos y las moléculas. Cuando esto sucede, esas partículas se excitan y a menudo se desintegran, lo que puede destruir biomoléculas importantes y alterar sistemas biológicos más grandes. Debido a que pueden ocurrir diferentes tipos de procesos de corrosión, los científicos los estudian detenidamente para comprender mejor cómo la radiación causa daños y cómo se pueden reducir.
En un nuevo estudio, investigadores del Departamento de Física Molecular y colaboradores internacionales se centraron en un proceso específico impulsado por la radiación llamado desintegración mediada por transferencia de electrones (ETMD). En este proceso, la radiación primero excita un átomo. Luego, ese átomo se estabiliza extrayendo un electrón de un átomo cercano, mientras que la energía liberada ioniza a un tercer vecino. El equipo pudo observar directamente cómo los átomos en un sistema modelo migraban y se reorganizaban antes de que ocurriera esta desintegración inusual. Sus resultados proporcionan la vista más detallada en espacio y tiempo real de ETMD hasta la fecha.
Seguimiento del movimiento atómico en tiempo real.
Para investigar este proceso, los científicos utilizaron un sistema modelo simple hecho de un átomo de neón débilmente unido a dos átomos de criptón (el trímero NeKr2). Después de que un electrón fuera expulsado de un átomo de neón utilizando rayos X suaves, siguieron cómo el sistema evolucionó durante hasta un picosegundo, extremadamente largo en una escala de tiempo atómica, antes de desintegrarse. En este punto, se transfiere un electrón al átomo y se emite un electrón de baja energía.
Utilizando un microscopio de reacción COLTRIMS avanzado en las instalaciones de sincrotrón BESSY II (Berlín) y PETRA III (Hamburgo), los investigadores reconstruyeron la disposición exacta de los átomos en el momento de la desintegración. Combinaron estas mediciones con simulaciones ab initio detalladas que rastrean miles de posibles rutas atómicas y calculan la probabilidad de desintegración a lo largo de cada una.
Una “película” de átomos en movimiento
Los resultados revelaron algo inesperado. Los átomos no están fijos en su lugar. En cambio, se mueven en un patrón similar al de itinerancia, cambiando constantemente su ubicación y remodelando la estructura del sistema. Esta velocidad influyó fuertemente tanto en el tiempo de caída como en el resultado.
“Podemos ver literalmente cómo se mueven los átomos antes de desintegrarse”, afirma Florian Trinter. “La desintegración no es sólo un proceso electrónico: está impulsada por el movimiento nuclear de una manera muy directa e intuitiva”.
Las investigaciones muestran que ETMD no surge de una única estructura estable. Distintos arreglos prevalecen en diferentes momentos. Al principio, la descomposición se produce cerca de la configuración original. Posteriormente, un átomo de criptón se acerca al átomo de neón y el otro se aleja, creando condiciones favorables para la transferencia de electrones y el flujo de energía. Incluso en etapas posteriores, los átomos adoptan formas más alargadas y distorsionadas, reflejando un movimiento oscilante y giratorio. Estos cambios hacen que la tasa de erosión varíe significativamente dependiendo de la geometría.
“Los átomos exploran grandes regiones del espacio de configuración antes de desintegrarse”, explica Till Jahnke, autor principal del estudio. “Esto demuestra que el movimiento atómico no es una corrección menor: controla fundamentalmente la eficacia de la desintegración electrónica no local”.
Comprender por qué es importante ETMD
ETMD ha atraído un interés cada vez mayor porque produce electrones de baja energía, que pueden causar daños químicos a líquidos y materiales biológicos. Saber cómo este proceso depende de la disposición y la velocidad nucleares es esencial para modelar con precisión los daños por radiación en ambientes acuáticos y biológicos, así como para interpretar experimentos de rayos X ultrarrápidos. Los resultados también respaldan el desarrollo de modelos teóricos que puedan aplicar estos conocimientos a sistemas más grandes y complejos.
Al proporcionar un punto de referencia preciso para el sistema más simple capaz de realizar ETMD con tres átomos, este estudio proporciona una base para extender estos conceptos a líquidos, iones solutos y sistemas biológicos.
“Este trabajo muestra cómo la desintegración electrónica no local puede utilizarse como una potente sonda del movimiento molecular”, concluyen los autores. “Esto abre la puerta a la obtención de imágenes de dinámicas ultrarrápidas en materiales débilmente ligados con un detalle sin precedentes”.
