Des chercheurs du laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie ont découvert une étape clé dans l'ionisation de l'eau liquide à l'aide de la « caméra électronique à grande vitesse du laboratoire, " MeV-UED. Cette réaction est d'une importance fondamentale pour un large éventail de domaines, dont le génie nucléaire, voyage dans l'espace, traitement du cancer et assainissement de l'environnement. Leurs résultats ont été publiés dans Science aujourd'hui.

Lorsqu'un rayonnement de haute énergie frappe une molécule d'eau, il déclenche une série de réactions ultrarapides. D'abord, il expulse un électron, laissant derrière lui une molécule d'eau chargée positivement. En une fraction de billionième de seconde, cette molécule d'eau cède un proton à une autre molécule d'eau. Cela conduit à la création d'un radical hydroxyle (OH) - qui peut endommager pratiquement n'importe quelle macromolécule dans un organisme, y compris l'ADN, ARN et protéines et un ion hydronium (H 3 O ⁺ ), qui sont abondants dans le milieu interstellaire et les queues des comètes, et pourrait contenir des indices sur l'origine de la vie.

Capturer la paire instable

Dans un précédent Science article publié en 2020, une équipe dirigée par des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du DOE a utilisé le laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC pour témoigner, pour la première fois, la réaction ultrarapide de transfert de protons après ionisation de l'eau liquide. Mais jusqu'à maintenant, les chercheurs n'avaient pas encore observé directement la paire hydroxyle-hydronium.

« Toutes les chirurgies laser et radiothérapies produisent ce complexe instable, ce qui peut conduire à de nombreuses réactions chimiques dans le corps humain, " dit le scientifique et responsable de l'étude du SLAC, Ming-Fu Lin. " Fait intéressant, ce complexe aide également à purifier notre eau potable en tuant les germes. Il est également important dans la production d'énergie nucléaire où l'eau est ionisée par d'autres formes de rayonnement. De nombreuses simulations prédisent l'existence de ce complexe mais maintenant nous avons enfin observé sa formation."

Pour observer le couple hydroxyle-hydronium à vie courte, les chercheurs ont créé des jets d'eau liquide de 100 nanomètres d'épaisseur - environ 1, 000 fois plus mince que la largeur d'un cheveu humain et a ionisé les molécules d'eau avec une lumière laser intense. Ensuite, ils ont sondé les molécules avec de courtes impulsions d'électrons à haute énergie de MeV-UED pour générer des instantanés haute résolution du processus d'ionisation. Cela leur a permis de mesurer les liaisons entre les atomes d'oxygène et les liaisons entre les atomes d'oxygène et d'hydrogène en même temps, capturant ainsi ce complexe important mais instable.

Ouvrir une fenêtre sur les réactions chimiques

À suivre, les chercheurs prévoient d'augmenter la vitesse d'imagerie afin que le processus de transfert de protons puisse être mesuré directement avant la formation des paires hydroxyle-hydronium. Ils espèrent également observer l'électron éjecté dans l'eau liquide pour mieux comprendre comment il affecte le processus.

"Les deux sujets ont été intensivement étudiés par des simulations, mais aucune mesure structurelle directe n'a été prise pour valider les théories, " dit Matthias Ihme, professeur agrégé au département de génie mécanique de l'Université de Stanford qui a dirigé l'analyse théorique. "Ces mesures sont également essentielles pour tester nos modèles théoriques qui prédisent ces processus."

"De nombreux états et structures intermédiaires dans les réactions chimiques sont soit inconnus, soit encore à observer directement, " ajoute Xijie Wang, un scientifique distingué du SLAC et collaborateur d'étude. « Nous pouvons utiliser MeV-UED pour explorer et capturer divers complexes de courte durée et importants, ouvrant une fenêtre pour étudier les réactions chimiques au fur et à mesure qu'elles se produisent."