Nacimiento ultrarrápido de radicales libres observado en el agua
El láser de rayos X proporciona una visión inigualable de la primera reacción química durante la radiolisis
Utilizando flashes de rayos X extremadamente cortos, un equipo internacional de investigadores ha observado por primera vez detalles de la reacción química ultrarrápida que lleva a la formación de radicales agresivos cuando se irradia agua. El estudio proporciona una comprensión sin precedentes del proceso, que puede conducir a daños por radiación en el cuerpo, pero también es de considerable importancia en otros campos como la ciencia de los materiales. Los investigadores, dirigidos por Linda Young del Laboratorio Nacional de Argonne en los Estados Unidos, Zhi-Heng Loh de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur y Robin Santra de DESY, presentan su trabajo en la revista Science.
Los rayos X capturan la reacción ultrarrápida de transferencia de protones en agua líquida ionizada, formando un radical hidroxilo y un ión hidronio.
DESY, Caroline Arnold
El estudio investigó la radiolisis del agua, como los científicos llaman a la división de un compuesto químico - en este caso el agua - por radiación. "Nuestro cuerpo consiste esencialmente en agua", explica Santra, quien es un científico líder en DESY y profesor de física en el Cluster de Excelencia de Imágenes Avanzadas de la Materia en la Universidad de Hamburgo. "Todos estamos expuestos a radiaciones ionizantes en la vida cotidiana, ya sea a través de los rayos X, la radiactividad natural o, por ejemplo, la radiación cósmica en los viajes aéreos. Por lo tanto, lo que sucede aquí es de fundamental importancia".
En la radiolisis del agua, la radiación de alta energía primero saca un electrón de una molécula de agua (H2O), ionizándolo así a H2O+. A continuación se produce la llamada transferencia de protones, en la que la molécula de agua ionizada libera un núcleo de hidrógeno (protón) a una molécula adyacente. Esto produce un radical hidroxilo (OH) extremadamente reactivo, que puede causar daños en el organismo, y un ion hidronio (H3O+). El proceso en sí se conoce desde hace mucho tiempo, pero hasta ahora no se ha observado en detalle cómo se produce, en parte porque es extremadamente rápido.
"Lo verdaderamente emocionante es que hemos sido testigos de la reacción química más rápida en el agua ionizada, que conduce al nacimiento del radical hidroxilo", dice Young. "El radical hidroxilo es en sí mismo de considerable importancia, ya que puede difundirse a través de un organismo, incluyendo nuestros cuerpos, y dañar virtualmente cualquier macromolécula incluyendo ADN, ARN y proteínas". Una comprensión más profunda de la radiolisis podría ayudar a desarrollar estrategias para suprimir la formación del radical hidroxilo.
Para la investigación, los científicos ionizaron el agua por láser y luego tomaron instantáneas extremadamente cortas de los procesos desencadenados por la ionización, utilizando el láser de rayos X LCLS del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en California. El láser de rayos X permite tiempos de exposición ultracortos de sólo unos 30 femtosegundos (millonésimas de una billonésima de segundo).
El análisis detallado de los datos de medición confirma el modelado teórico de la transferencia de protones realizado por el equipo de Santra en el Centro de Ciencia de Láser de Electrones Libres CFEL en DESY. "Podríamos mostrar que los datos de rayos X contienen realmente información sobre la dinámica de las moléculas de agua que permiten la transferencia de protones", dijo Santra. "En sólo 50 cuatrillonésimas de segundo, las moléculas de agua circundantes se mueven literalmente sobre el H2O+ ionizado hasta que una de ellas se acerca lo suficiente para agarrar uno de sus protones en una especie de apretón de manos, convirtiéndose en el hidronio H3O+ y dejando atrás el radical hidroxilo OH".
De acuerdo con las observaciones, esta transferencia de protones se produce típicamente en sólo 46 cuatrillonésimas de segundo. "Nuestro trabajo reciente muestra que la reacción química más rápida en el agua ionizada ocurre en la escala de tiempo de 50 femtosegundos", resume Loh. "Mientras que 50 femtosegundos pueden parecer ya rápidos para la mayoría de los estándares, dentro de estos 50 femtosegundos existen muchos procesos físicos que permanecen sin ser observados. El objetivo final es descubrir la intrincada red de procesos físico-químicos que se producen en el agua líquida ionizada, desde el momento en que la radiación ionizante incide en el agua hasta el nacimiento del radical OH altamente reactivo".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Z.-H. Loh, G. Doumy, C. Arnold, L. Kjellsson, S.H. Southworth, A. Al Haddad, Y. Kumagai, M.-F. Tu, P.J. Ho, A.M. March, R.D. Schaller, M.S. Bin Mohd Yusof, T. Debnath, M. Simon, R. Welsch, L. Inhester, K. Khalili, K. Nanda, A.I. Krylov, S. Moeller, G. Coslovich, J. Koralek, M.P. Minitti, W.F. Schlotter, J.-E. Rubensson, R. Santra, L. Young; "Observation of the fastest chemical processes in the radiolysis of water"; Science; 2019
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