O primeiro filme atômico revela o fator oculto dos danos causados ​​pela radiação

• Processo: O centro de pesquisa se concentra no decaimento mediado por transferência de elétrons (ETMD), um processo acionado por radiação que pode causar o decaimento de átomos fracamente ligados. Este mecanismo é particularmente importante porque pode gerar partículas altamente reativas na água, tornando-se um fator chave na forma como a radiação danifica os sistemas biológicos.
• Experimentar: Os cientistas acompanharam esse processo em extremo detalhe usando um microscópio de reação especializado combinado com modelagem teórica de última geração. Isso lhes permitiu acompanhar exatamente como a decadência se desenrolou ao longo do tempo em um sistema modelo cuidadosamente controlado.
• O que eles encontraram: Na verdade, a equipe criou um “filme” em tempo real de átomos movendo-se uns em torno dos outros por um picossegundo antes de o sistema finalmente se desintegrar. Isto sugere um processo dinâmico que está em constante mudança, em vez de um simples evento estático.
• Por que é importante: Essas descobertas fornecem uma imagem mais clara de como os danos da radiação se desenvolvem no nível atômico. Ao compreender melhor este processo, os investigadores podem melhorar os modelos de exposição à radiação no ambiente biológico e potencialmente orientar futuras estratégias de proteção.

Como a radiação danifica as células em nível atômico

A radiação de alta energia, como os raios X, pode danificar células vivas ao romper átomos e moléculas. Quando isto acontece, estas partículas ficam excitadas e muitas vezes desintegram-se, o que pode destruir biomoléculas importantes e perturbar sistemas biológicos maiores. Dado que podem ocorrer muitos tipos diferentes de processos de decaimento, os cientistas estão a estudá-los de perto para compreender melhor como a radiação causa danos e como pode ser reduzida.

No novo estudo, pesquisadores do Departamento de Física Molecular e colaboradores internacionais se concentraram em um processo específico impulsionado pela radiação chamado decaimento mediado por transferência de elétrons (ETMD). Neste processo, a radiação primeiro excita o átomo. Este átomo é então estabilizado puxando um elétron para longe de um átomo vizinho, enquanto a energia liberada ioniza um terceiro vizinho. A equipe foi capaz de observar diretamente como os átomos no sistema modelo mudam e se reorganizam antes que esse decaimento incomum ocorra. Seus resultados fornecem a visão mais detalhada do ETMD no espaço real e em tempo real.

Rastreando o movimento atômico em tempo real

Para investigar este processo, os cientistas usaram um sistema modelo simples de um átomo de néon fracamente ligado a dois átomos de criptônio (o trímero NeKr2). Depois de extrair um elétron de um átomo de néon com raios X suaves, eles traçaram como o sistema evoluiu durante um picossegundo, um tempo muito longo na escala de tempo atômica, antes de ocorrer o decaimento. Durante esse tempo, um elétron foi transferido entre os átomos e um elétron de baixa energia foi emitido.

Usando o microscópio de reação avançado COLTRIMS nas instalações síncrotron BESSY II (Berlim) e PETRA III (Hamburgo), os pesquisadores reconstruíram a localização precisa dos átomos no momento do decaimento. Eles combinaram essas medições com simulações detalhadas que rastrearam milhares de caminhos atômicos possíveis e calcularam a probabilidade de decaimento ao longo de cada um deles.

“Filme” sobre átomos em movimento

As descobertas revelaram algo inesperado. Os átomos não permaneceram no lugar. Em vez disso, moviam-se num padrão de roaming, mudando constantemente de posição e reorganizando a estrutura do sistema. Esse movimento afetou muito o momento e o resultado da separação.

“Podemos literalmente observar o movimento dos átomos antes que o decaimento aconteça”, diz Florian Trinter, um dos autores principais. “O decaimento não é apenas um processo eletrónico – é impulsionado pelo movimento nuclear de uma forma muito direta e intuitiva.”

O estudo mostra que o ETMD não surge de uma única estrutura estável. Diferentes arranjos dominam em momentos diferentes. Nos estágios iniciais, o decaimento ocorre próximo à configuração inicial. Mais tarde, um átomo de criptônio se aproxima do átomo de néon e o outro se afasta, criando condições favoráveis ​​para transferência de elétrons e fluxo de energia. Em estágios ainda mais avançados, os átomos formam formas mais esticadas e distorcidas que refletem um movimento oscilante e errante. Essas mudanças fazem com que a taxa de decaimento varie significativamente com a geometria.

“Os átomos exploram grandes regiões do espaço de configuração antes de finalmente decaírem”, explica Till Jahnke, autor sênior do estudo. “Isso mostra que o movimento nuclear não é uma correção menor – ele controla fundamentalmente a eficiência do decaimento eletrônico não local.”

Por que entender o ETMD é importante

O ETMD é de interesse crescente porque produz elétrons de baixa energia que podem causar danos químicos em líquidos e materiais biológicos. Saber como esse processo depende da posição e do movimento dos átomos é importante para modelar com precisão os danos da radiação na água e nos meios biológicos, e para interpretar experimentos ultrarrápidos de raios-X. Os resultados também apoiam o desenvolvimento de modelos teóricos que possam aplicar estas ideias a sistemas maiores e mais complexos.

Ao oferecer uma referência precisa para o sistema mais simples capaz de ETMD de três átomos, este estudo estabelece as bases para estender essas ideias a líquidos, íons solvatados e sistemas biológicos.

“Este trabalho mostra como o decaimento eletrônico não local pode ser usado como uma poderosa sonda do movimento molecular”, concluem os autores. “Isso abre a porta para a obtenção de imagens da dinâmica ultrarrápida da matéria fracamente ligada com detalhes sem precedentes.”