O primeiro filme atômico revela a causa oculta dos danos causados ​​pela radiação

• Processo: A pesquisa centra-se no decaimento mediado por transferência de elétrons (ETMD), um processo acionado por radiação que pode dissociar átomos fracamente ligados. Este processo é particularmente importante porque pode criar partículas altamente reativas na água, um fator chave na forma como a radiação danifica os sistemas biológicos.
• Teste: Os cientistas acompanharam este processo com detalhes extraordinários usando um microscópio de reação especial combinado com simulações teóricas avançadas. Isso lhes permite acompanhar com precisão como a deterioração se desenvolve ao longo do tempo em um sistema modelo cuidadosamente controlado.
• O que eles descobriram: A equipe criou um “filme” em tempo real dos átomos girando uns em torno dos outros por efetivamente um picossegundo antes de o sistema finalmente entrar em colapso. Expressa um processo dinâmico e em constante mudança, em vez de um fenômeno simples e estático.
• Por que é importante: Esses resultados fornecem uma imagem clara de como os danos da radiação se desenvolvem no nível atômico. Ao obter uma compreensão mais profunda deste processo, os pesquisadores podem melhorar os modelos dos efeitos da radiação em ambientes biológicos e potencialmente orientar futuras estratégias de proteção.

Como a radiação danifica as células em nível atômico

A radiação de alta energia, como os raios X, pode danificar células vivas ao perturbar átomos e moléculas. Quando isso acontece, essas partículas ficam excitadas e muitas vezes se desintegram, o que pode destruir biomoléculas importantes e perturbar sistemas biológicos maiores. Como podem ocorrer diferentes tipos de processos de corrosão, os cientistas estudam-nos de perto para compreender melhor como a radiação causa danos e como pode ser reduzida.

Num novo estudo, investigadores do Departamento de Física Molecular e colaboradores internacionais concentraram-se num processo específico impulsionado pela radiação denominado decaimento mediado por transferência de electrões (ETMD). Neste processo, a radiação primeiro excita um átomo. Esse átomo então se estabiliza puxando um elétron de um átomo próximo, enquanto a energia liberada ioniza um terceiro vizinho. A equipe foi capaz de observar diretamente como os átomos em um sistema modelo migraram e se reorganizaram antes que ocorresse esse decaimento incomum. Seus resultados fornecem a visão mais detalhada em tempo real e em espaço real do ETMD até o momento.

Rastreamento de movimento atômico em tempo real

Para investigar este processo, os cientistas usaram um sistema modelo simples feito de um átomo de néon fracamente ligado a dois átomos de criptônio (o trímero NeKr2). Depois que um elétron foi eliminado de um átomo de neon usando raios X suaves, eles acompanharam como o sistema evoluiu por até um picossegundo, extremamente longo em uma escala de tempo atômica, antes de decair. Neste ponto, um elétron é transferido para o átomo e um elétron de baixa energia é emitido.

Usando um microscópio de reação COLTRIMS avançado nas instalações síncrotron BESSY II (Berlim) e PETRA III (Hamburgo), os pesquisadores reconstruíram o arranjo exato dos átomos no momento do decaimento. Eles combinaram essas medições com simulações detalhadas ab initio que rastreiam milhares de caminhos atômicos possíveis e calculam a probabilidade de decaimento ao longo de cada um deles.

Um “filme” de átomos em movimento

Os resultados revelaram algo inesperado. Os átomos não estão fixos no lugar. Em vez disso, movem-se num padrão semelhante ao de roaming, mudando constantemente de localização e remodelando a estrutura do sistema. Essa velocidade influenciou fortemente tanto o tempo de decaimento quanto o resultado.

“Podemos literalmente ver como os átomos se movem antes de decaírem”, diz Florian Trinter. “O decaimento não é apenas um processo eletrônico – é impulsionado pelo movimento nuclear de uma forma muito direta e intuitiva”.

A pesquisa mostra que o ETMD não ocorre a partir de uma única estrutura estável. Diferentes arranjos prevalecem em diferentes momentos. A princípio, o decaimento ocorre próximo à configuração original. Mais tarde, um átomo de criptônio se aproxima do átomo de néon e o outro se afasta, criando condições favoráveis ​​para a transferência de elétrons e o fluxo de energia. Em estágios ainda mais avançados, os átomos formam formas mais alongadas e distorcidas, refletindo um movimento oscilante e rodopiante. Essas mudanças fazem com que a taxa de erosão varie significativamente dependendo da geometria.

“Os átomos exploram grandes regiões do espaço de configuração antes de eventualmente decaírem,” explica Till Jahnke, autor sénior do estudo. “Isso mostra que o movimento atômico não é uma correção menor – ele controla fundamentalmente a eficácia do decaimento eletrônico não local.”

Entendendo por que o ETMD é importante

O ETMD tem atraído interesse crescente porque produz elétrons de baixa energia, que podem causar danos químicos a líquidos e materiais biológicos. Saber como esse processo depende do arranjo e da velocidade nuclear é essencial para a modelagem precisa dos danos causados ​​​​pela radiação na água e em ambientes biológicos, bem como para a interpretação de experimentos ultrarrápidos de raios-X. Os resultados também apoiam o desenvolvimento de modelos teóricos que possam aplicar estes conhecimentos a sistemas maiores e mais complexos.

Ao fornecer uma referência precisa para o sistema mais simples capaz de ETMD com três átomos, este estudo fornece uma base para estender esses conceitos a líquidos, íons solutos e sistemas biológicos.

“Este trabalho mostra como o decaimento eletrônico não local pode ser usado como uma poderosa sonda de movimento molecular”, concluem os autores. “Isso abre a porta para imagens de dinâmica ultrarrápida em materiais fracamente ligados com detalhes sem precedentes.”