Les faisceaux d'ions sont souvent utilisés aujourd'hui dans le traitement du cancer :cela implique des atomes chargés électriquement qui sont tirés sur la tumeur pour détruire les cellules cancéreuses. Même si, ce ne sont pas réellement les ions eux-mêmes qui causent les dommages décisifs. Lorsque les ions pénètrent à travers un matériau solide, ils peuvent partager une partie de leur énergie avec de nombreux électrons individuels, qui continuent ensuite à se déplacer à une vitesse relativement faible - et ce sont précisément ces électrons qui détruisent alors l'ADN des cellules cancéreuses.

Ce mécanisme est complexe et encore mal compris. Les chercheurs de la TU Wien ont maintenant pu démontrer qu'un effet auparavant peu observé joue en réalité un rôle central dans ce contexte :grâce à un processus appelé désintégration coulombienne interatomique, un ion peut transmettre une énergie supplémentaire aux atomes environnants. Cela libère un grand nombre d'électrons, avec précisément la bonne quantité d'énergie pour causer des dommages optimaux à l'ADN des cellules cancéreuses. Afin de comprendre et d'améliorer encore l'efficacité particulière de la thérapie ionique, ce mécanisme doit absolument être pris en compte. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue spécialisée Journal des lettres de chimie physique .

Une particule rapide ou beaucoup de particules lentes

Lorsqu'une particule chargée pénètre à grande vitesse dans un matériau, comme un tissu humain, elle laisse dans son sillage un gigantesque désordre atomique :« Cela peut déclencher toute une cascade d'effets, " dit Janine Schwestka, auteur principal de la publication récente, qui travaille actuellement sur sa thèse dans l'équipe dirigée par le Prof. Friedrich Aumayr et le Dr. Richard Wilhelm. Lorsque l'ion se déplace à travers d'autres atomes, ces particules et d'autres peuvent devenir ionisées, les électrons rapides volent et entrent en collision avec d'autres particules. Finalement, un jeûne, ion chargé peut déclencher une pluie de particules de centaines d'électrons chacun avec une énergie beaucoup plus faible.

Dans la vie de tous les jours, nous sommes habitués à des objets rapides ayant des effets plus dramatiques que des objets plus lents - un ballon de football frappé à pleine force cause beaucoup plus de dégâts dans un magasin de porcelaine qu'un ballon doucement roulé. Au niveau atomique, cependant, cela ne s'applique pas :« La probabilité qu'un électron lent détruise un brin d'ADN est beaucoup plus grande. un électron extrêmement rapide passe normalement juste devant la molécule d'ADN sans laisser de trace, " explique Janine Schwestka.

D'une couche électronique à une autre

L'équipe de TU Wien a récemment examiné de plus près un effet extrêmement spécial, à savoir, désintégration coulombienne interatomique. "Les électrons de l'ion peuvent prendre différents états. Selon leur quantité d'énergie, ils peuvent être situés dans l'une des coques intérieures, près du noyau, ou dans une enveloppe extérieure, " dit Janine Schwestka. Tous les espaces électroniques possibles ne sont pas occupés. Si une couche électronique dans la gamme d'énergie moyenne est libre, un électron peut alors y passer à partir d'une couche avec une énergie plus élevée. Cela libère de l'énergie, qui peut ensuite être transmis au matériau via la désintégration coulombique interatomique :« L'ion transfère cette énergie à plusieurs atomes dans le voisinage direct en même temps. Un électron est détaché de chacun de ces atomes mais parce que l'énergie est divisée entre plusieurs atomes nous parlent de beaucoup d'électrons vraiment lents, " explique Schwestka.

Xénon et graphène

A l'aide d'un dispositif expérimental ingénieux, il a maintenant été possible de prouver l'efficacité de ce procédé. Des ions xénon à charges multiples sont projetés sur une couche de graphène. Les électrons des enveloppes externes au xénon passent à une position dans une autre enveloppe avec moins d'énergie, provoquant le détachement d'électrons de nombreux atomes de carbone dans la couche de graphène, qui sont ensuite enregistrés par un détecteur, afin de mesurer leur énergie. "En réalité, de cette façon, nous avons pu montrer que la désintégration coulombienne interatomique joue un rôle essentiel dans la génération d'un grand nombre d'électrons libres dans le matériau, " dit le professeur Friedrich Aumayr.

Afin de décrire correctement l'interaction des faisceaux d'ions avec des matériaux solides ou des tissus organiques, cet effet doit absolument être pris en compte. C'est important, d'une part, pour optimiser les thérapies par faisceau d'ions pour le traitement du cancer, mais aussi pour d'autres domaines importants, tels que la protection de la santé des équipages des stations spatiales, où vous êtes exposé à un bombardement constant de particules du rayonnement cosmique.