In un esperimento simile alla fotografia in stop-motion, un team internazionale di scienziati ha isolato il movimento energetico di un elettrone in un campione di acqua liquida – mentre “congela” il movimento dell’atomo molto più grande attorno al quale orbita.
Gli scienziati hanno utilizzato una coppia di impulsi di raggi X ad attosecondi sincronizzati (mostrati in rosa e verde) provenienti da un laser a elettroni liberi a raggi X per studiare la risposta energetica degli elettroni (oro) nell’acqua liquida su scale temporali ad attosecondi, mentre l’idrogeno (bianco) e gli atomi di ossigeno (rossi) sono “congelati” nel tempo. Credito immagine: Nathan Johnson/Pacific Northwest National Laboratory
La scoperta rivela la risposta immediata di un elettrone quando viene colpito da un raggio X, un passo essenziale per comprendere gli effetti dell’esposizione alle radiazioni su oggetti e persone. I risultati, pubblicato nella rivista Science, forniscono una nuova finestra sulla struttura elettronica delle molecole nella fase liquida su una scala temporale precedentemente irraggiungibile con i raggi X.
“Cosa succede a un atomo quando viene colpito da una radiazione ionizzante, come i raggi X? Vedere le prime fasi di questo processo è stato a lungo un tassello mancante nella comprensione di come le radiazioni influenzino la materia”, ha affermato il co-autore senior. Xiaosong Li, titolare della cattedra Larry R. Dalton Endowed in Chimica presso l’Università di Washington e ricercatore di laboratorio presso il Pacific Northwest National Laboratory. “Questa nuova tecnica per la prima volta ci mostra quel pezzo mancante e apre le porte alla visione dei passaggi in cui si verifica una chimica così complessa e interessante!”
Li ha co-guidato il team dietro questa svolta insieme ad autori senior Linda Giovaneun illustre membro dell’Argonne National Laboratory e professore all’Università di Chicago, e Robin Santra, professore all’Electron Synchrotron tedesco e all’Università di Amburgo. Il team ha ricevuto finanziamenti e supporto critici da parte di Partenariato IDREAM (Dinamiche interfacciali in ambienti e materiali radioattivi).un centro del Dipartimento dell’Energia con sede presso PNNL.
La collaborazione ha utilizzato una combinazione di esperimenti e approfondimenti teorici per vedere in tempo reale cosa succede quando le radiazioni ionizzanti provenienti da una sorgente di raggi X colpiscono la materia. Rivelare questi momenti non è semplice come scattare una foto. Le particelle subatomiche si muovono così velocemente che per catturarne le azioni è necessario l’uso di una sonda in grado di misurare il tempo in attosecondi. Ci sono più attosecondi in un secondo di quanti secondi ce ne sono stati nella storia dell’universo.
“Fino ad ora i chimici delle radiazioni potevano risolvere eventi solo su scala temporale del picosecondo, un milione di volte più lento di un attosecondo”, ha affermato Young. “È un po’ come dire ‘sono nato e poi sono morto’. Ti piacerebbe sapere cosa succede nel mezzo. Questo è ciò che ora siamo in grado di fare”.
Il team – sotto la guida di Young e del co-autore principale Shuai Li, un ricercatore post-dottorato presso l’Argonne – hanno deciso di sviluppare un approccio sperimentale completamente nuovo per ottenere una risoluzione agli attosecondi utilizzando i raggi X. Gli impulsi di raggi X ad attosecondi sono disponibili solo in una manciata di strutture specializzate in tutto il mondo, quindi il team ha collaborato con gli scienziati del Laboratorio Nazionale Acceleratore SLAC in California per utilizzare la sorgente luminosa coerente Linac della struttura per sviluppare laser ad elettroni liberi a raggi X ad attosecondi, con il contributo chiave degli scienziati del PNNL.
Per registrare il movimento degli elettroni eccitati dalla radiazione a raggi X, gli scienziati creano un sottile foglio di acqua liquida – largo circa 1 cm – come bersaglio per il fascio di raggi X. Credito immagine: Emily Nienhuis/Pacific Northwest National Laboratory
La tecnica risultante, AX-ATAS – o spettroscopia di assorbimento transitorio ad attosecondi di raggi X – ha utilizzato due delicati impulsi di raggi X: uno per “eccitare” la materia bersaglio e uno per sondare come ha risposto la materia eccitata. Questo approccio consentirebbe teoricamente agli scienziati di “osservare” gli elettroni energizzati dai raggi X mentre si spostano in uno stato eccitato, il tutto prima che il nucleo atomico più voluminoso abbia il tempo di muoversi. Hanno scelto l’acqua liquida come banco di prova per un esperimento.
“E nel nostro primo esperimento ha funzionato!” disse Li. “Ma il segnale che abbiamo raccolto dai dati era ‘contorto’. Si scopre che, in questa istantanea transitoria, stavamo sondando così tanti stati quantistici che abbiamo dovuto sviluppare un metodo di analisi computazionale completamente nuovo per comprendere i dati”.
I principi della meccanica quantistica sono alla base del comportamento di tutta la materia, ma le sue tracce sono spesso nascoste in esperimenti come questi. Ma, utilizzando AX-ATAS su scala temporale dell’attosecondo, gli scienziati stavano raccogliendo dettagli a livello quantistico e avevano bisogno di nuovi metodi per dare un senso ai dati.
A tal fine, Li, un chimico teorico, ha lavorato con il co-autore principale Lixin Lu – che ha condotto questa ricerca come studente di dottorato in chimica alla UW ed è ora ricercatore post-dottorato presso l’Università di Stanford – per riprodurre i segnali osservati allo SLAC. Il team tedesco di Electron Synchrotron guidato da Santra e co-autore principale Swarnendu Bhattacharyya, un ricercatore post-dottorato, ha modellato la risposta dell’acqua liquida ai raggi X ad attosecondi per verificare che il segnale osservato fosse effettivamente limitato alla scala temporale degli attosecondi.
“Utilizzando il supercomputer Hyak presso l’Università di Washington, abbiamo sviluppato una tecnica di chimica computazionale all’avanguardia che ha consentito la caratterizzazione dettagliata degli stati quantistici transitori ad alta energia nell’acqua”, ha affermato Li, che è anche vice rettore associato dell’UW per la ricerca sulle infrastrutture informatiche e membro docente presso l’UW Clean Energy Institute. “Questa svolta metodologica ha prodotto un progresso fondamentale nella comprensione a livello quantistico della trasformazione chimica ultraveloce, con eccezionale precisione e dettaglio a livello atomico”.
L’analisi del team ha risolto un dibattito scientifico di lunga data sul fatto se i segnali di raggi X osservati in esperimenti precedenti siano il risultato della dinamica dell’atomo di idrogeno o di diversi “motivi” strutturali dell’acqua. Gli esperimenti non hanno mostrato prove dell’esistenza di due motivi strutturali nell’acqua liquida ambientale.
“Fondamentalmente, ciò che le persone vedevano negli esperimenti precedenti era la sfocatura causata dal movimento degli atomi di idrogeno”, ha detto Young. “Siamo stati in grado di eliminare quel movimento eseguendo tutte le nostre registrazioni prima che gli atomi avessero il tempo di muoversi”.
L’attuale indagine si basa sulla nuova scienza della fisica degli attosecondi, riconosciuto con il Premio Nobel per la Fisica 2023. Lavorare su una scala temporale dell’attosecondo consentirà ai ricercatori di comprendere la complessa chimica indotta dalle radiazioni a un livello fondamentale. Inizialmente questo team si è riunito per sviluppare strumenti per comprendere l’effetto dell’esposizione prolungata alle radiazioni ionizzanti sulle sostanze chimiche presenti nei rifiuti nucleari.
I ricercatori prevedono che lo studio attuale sia l’inizio di una direzione completamente nuova per la scienza degli attosecondi.
“La metodologia che abbiamo sviluppato consente lo studio dell’origine e dell’evoluzione delle specie reattive prodotte da processi indotti dalle radiazioni, come quelli riscontrati nei viaggi spaziali, nei trattamenti contro il cancro, nei reattori nucleari e nei rifiuti esistenti”, ha affermato Young.
Fonte: Università di Washington
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