Un seul rayon X peut démêler une énorme molécule, les physiciens rapportent dans le numéro du 17 mars de Lettres d'examen physique . Leurs découvertes pourraient conduire à une imagerie médicale plus sûre et à une compréhension plus nuancée de l'électronique des métaux lourds.

Les techniques d'imagerie médicale telles que les IRM utilisent des métaux lourds du bas du tableau périodique comme « colorants » pour rendre certains tissus plus faciles à voir. Mais ces métaux, appelés lanthanides, sont toxiques. Pour protéger la personne qui passe l'IRM, certains chimistes enveloppent le lanthanide dans une cage d'atomes de carbone.

Le physicien moléculaire Razib Obaid et son mentor, Prof. Norah Berra dans le département de physique, voulait en savoir plus sur la façon dont les lanthanides interagissent avec les cages en carbone dans lesquelles ils sont enveloppés. Les cages, 80 atomes de carbone forts, sont appelés fullerènes et ont la forme de ballons de football. Ils ne se lient pas réellement au lanthanide; le métal flotte à l'intérieur de la cage. Il existe de nombreuses situations similaires dans la nature. Protéines, par exemple, ont souvent un métal qui traîne près d'un organique géant (c'est-à-dire, principalement composé de carbone).

Alors Obaid et son équipe de collaborateurs de la Kansas State University, Pulse Institute à Stanford, Institut Max Planck à Heidelberg, et l'Université de Heidelberg a étudié comment trois atomes de l'élément lanthanide holmium à l'intérieur d'un fullerène à 80 carbones réagissaient aux rayons X. Leur supposition initiale était que lorsqu'un rayon X a frappé pour la première fois l'un des atomes d'holmium, il serait absorbé par un électron. Mais cet électron serait tellement énergisé par les rayons X absorbés qu'il s'envolerait directement de l'atome, laissant une place vacante. Cette tache serait alors prise par un autre des électrons de l'holmium, qui devrait sauter du bord extérieur de l'atome pour le remplir. Cet électron était auparavant associé à un autre électron à la périphérie de l'atome. Quand il a sauté, son ex solitaire, appelé électron Auger, s'éloignerait de la molécule entière et serait détecté par les scientifiques. Son énergie distinctive le trahirait.

ça a l'air compliqué, mais cela aurait été le scénario le plus simple (et donc le plus probable), pensèrent les physiciens. Mais ce n'est pas ce qu'ils ont vu.

Quand Obaid et ses collègues ont zappé la molécule d'holmium-fullerène avec un rayon X doux (environ 160 électron-volts), le nombre d'électrons Auger détectés était trop faible. Et trop d'électrons avaient des énergies bien inférieures à celles des électrons Auger.

Après quelques calculs, l'équipe a compris qu'il se passait plus de choses qu'ils ne l'avaient deviné.

D'abord, le rayon X frapperait l'holmium, qui perdrait un électron. La tache vacante serait alors remplie par l'électron de bord externe de l'atome d'holmium. C'était exact. Mais l'énergie libérée par l'électron sauteur (lorsqu'il saute « en bas » de la périphérie de l'atome vers l'intérieur, il saute également « vers le bas » en énergie) serait alors absorbé par la cage du fullerène de carbone ou un autre des atomes d'holmium voisins. Dans tous les cas, l'énergie ferait s'éloigner un électron supplémentaire de tout ce qui l'a absorbé, la cage du fullerène ou l'atome d'holmium.

La perte de ces multiples électrons a déstabilisé toute la molécule, qui s'effondrerait alors entièrement.

Le résultat final ?

« Vous pouvez provoquer des dommages causés par les radiations simplement en frappant un atome sur 84, " dit Obaid. C'est-à-dire un seul coup de rayons X suffit à détruire l'ensemble du complexe moléculaire grâce à ce processus de transfert d'énergie impliquant des atomes voisins. Il donne un aperçu de la façon dont les dommages causés par les radiations se produisent dans les systèmes vivants, dit Obaid. On a toujours pensé que le rayonnement endommageait les tissus en enlevant directement les électrons. Cette expérience montre que les interactions entre un atome ou une molécule ionisée et ses voisins peuvent causer encore plus de dommages et de dégradation que l'irradiation d'origine.

Les travaux donnent également aux physiciens médicaux une idée de la manière de limiter l'exposition des patients aux métaux lourds utilisés comme colorants en imagerie médicale. Protéger toutes les parties du corps du rayonnement, à l'exception de celles à imager avec des colorants de métaux lourds, peut potentiellement restreindre l'exposition aux métaux lourds ainsi que les dommages causés par les rayonnements, disent les chercheurs. La prochaine étape de ce travail serait de comprendre exactement à quelle vitesse cette interaction avec les voisins se produit. Les chercheurs s'attendent à ce qu'elle se déroule en quelques femtosecondes (10 ^-15 s).