Que se passe-t-il lorsque des radiations frappent l’eau ? C'est une question qui se pose à chaque fois que vous passez une radiographie chez le médecin, étant donné que vous êtes majoritairement constitué d'eau. Une équipe de physiciens théoriciens de DESY a travaillé sur les données recueillies par des collègues du laboratoire national d'Argonne aux États-Unis au laser à rayons X LCLS en Californie pour obtenir une meilleure réponse à cette question.
Ce qu'ils ont découvert pourrait régler une controverse en physique sur la présence d'électrons libres dans l'eau et comment ils se comportent à des échelles de temps très courtes :les électrons, non liés aux atomes, sont séquestrés dans des bulles dans des structures en forme de cage entre des molécules d'eau individuelles. Ces résultats sont rapportés dans le Journal of the American Chemical Society. .
Les électrons libres sont des électrons qui ne sont pas liés aux atomes. Dans l’eau qui entre en contact avec un rayonnement, des électrons libres émergent des molécules d’eau lorsqu’ils s’ionisent sous l’effet du rayonnement. La façon dont les électrons circulent entre les molécules d'eau dans cette situation est un sujet de discussion depuis plus longtemps.
Dans leurs travaux au LCLS du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC, l'équipe expérimentale, dirigée par la scientifique d'Argonne Linda Young, a observé d'étranges signatures associées aux molécules d'eau excitées par les lasers et imagées par le laser à rayons X. Ils ont trouvé des structures parmi les molécules en utilisant la spectroscopie d’absorption des rayons X. Afin de mieux comprendre la signification de ces résultats, l'équipe d'expérimentation s'est tournée vers des physiciens théoriciens de Hambourg.
Une équipe dirigée par Ludger Inhester, scientifique de DESY, du Centre pour la science des lasers à électrons libres, a examiné les données et a commencé à créer des modèles à partir des données en coordination avec l'équipe expérimentale. Ensemble, leurs résultats montrent que les électrons libres présents dans l'eau forment des structures de bulles qui sont ensuite emprisonnées par des molécules d'eau, de la même manière que les produits chimiques sont solvatés dans l'eau au niveau moléculaire. L'équipe DESY a notamment réussi à montrer le processus derrière cette solvatation des électrons dans l'eau et ses paramètres.
"Il s'avère que le processus de dissolution et donc la formation des structures de la cage sont remarquablement sensibles aux changements de température de l'eau", explique Arturo Sopena, le premier auteur de l'étude.
Les nouvelles connaissances sur le processus de solvatation montrent que l'électron, qui peut d'abord être trouvé sur une vaste zone parmi les molécules d'eau, s'ancre sur des modèles de liaisons hydrogène spécifiques qui se produisent dans l'eau liquide moléculaire, puis « s'enfouit » plus profondément dans une zone très étroite. zone à l'intérieur de la structure de l'eau.
Cet « enfouissement » et la réorientation associée des molécules d'eau voisines se produisent remarquablement rapidement et s'effectuent en 100 femtosecondes, où une femtoseconde équivaut à un quadrillionième de seconde. La bulle, qui mesure environ 50 milliardièmes de mètre de large, se dissocie en quelques picosecondes, soit un billionième de seconde.
"Comment l'eau réagit-elle lorsqu'elle est exposée aux radiations ? C'est une question vitale", explique Inhester. "Ce sont les premières étapes de réaction chimique qui sont entraînées par le rayonnement et qui déterminent également la chimie du rayonnement suivante, qui s'applique également au matériel biologique."
Les nouveaux travaux ont également été réalisés dans le cadre du pôle d'excellence CUI :Advanced Imaging of Matter de l'Universität Hamburg. Les nouvelles découvertes fournissent des informations supplémentaires sur le comportement des dommages causés par les rayonnements ionisants dans l’eau. De telles recherches liées à l'eau doivent être encore intensifiées au sein du nouveau Centre pour les sciences moléculaires de l'eau, qui est créé dans le cadre d'une coopération internationale sur le campus DESY.
Plus d'informations : Arturo Sopena Moros et al, Suivi de la formation de cavités dans la solvation électronique :aperçus de la spectroscopie et de la théorie des rayons X, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI : 10.1021/jacs.3c11857
Informations sur le journal : Journal de l'American Chemical Society
Fourni par Deutsches Elektronen-Synchrotron
