Investigadores del Departamento de Energía de SLAC National Accelerator Laboratory han destapado un paso clave en la ionización del agua líquida utilizando la cámara de electrones de alta velocidad, MeV-UED. Esta reacción es de significancia fundamental para un gran abanico de campos, entre los que se incluye la ingeniería nuclear, viaje espacial, tratamiento contra el cáncer y remediación ambiental.

 

Cuando la radiación de alta energía golpea una molécula de agua, acciona una serie de reacciones ultrarápidas. Para empezar, expulsa un electrón, dejando tras de sí una molécula de agua con carga positiva. En una fracción de una billonésima de segundo, esta molécula de agua regala un protón a otra molécula de agua. Esto permite la creación de un radical hidroxilo (OH), el cual puede dañar virtualmente cualquier macromolécula de un organismo, incluyendo ADN, ARN y proteínas, y un ion hidronio (H3O+), los cuales son abundantes en el medio interestelar y en las colas de los cometas, y podría contener pistas sobre el origen de la vida.

 

Capturando el par inestable

“Todas las operaciones quirúrgicas con láser y radioterapias producen este complejo inestable, el cual podría desencadenar en varias reacciones químicas en el cuerpo humano”, dijo el director del estudio y científico del SLAC, Ming-Fu Lin. “Es interesante que este complejo también ayude a purificar el agua potable al matar gérmenes. Es importante también para la generación de energía nuclear, donde el agua se ioniza por otras formas de radiación. Varias simulaciones han predicho la existencia de este complejo, pero ahora finalmente se ha observado su formación”.

Para observar la corta vida del par hidroxilo-hidronio, los investigadores crearon haces de agua líquida de 100 nanómetros de grosor, unas 1000 veces más estrecho que el grosor de un cabello humano, e ionizado las moléculas de agua con una intensa luz procedente de un láser. Entonces probaron que las moléculas con pulsos cortos de electrones de alta energía procedentes del MeV-UED para generar instantáneas (imágenes) de alta resolución del proceso de ionización. Esto les permitió medir enlaces entre los átomos de oxígeno y enlaces entre átomos de oxígeno e hidrógeno a la vez, capturando este inestable e importante complejo.

 

Abriendo una ventana a las reacciones químicas

Para continuar, los investigadores planean aumentar la velocidad de la captura de imágenes para poder medir el proceso de transferencia del protón antes de la formación del par Hidroxilo-hidronio directamente. También esperan observar el electrón eyectado en el agua líquida para entender mejor su implicación en el proceso.

“Ambos temas han sido estudiados intensamente por simulaciones, pero no se han tomado medidas directas para validar las teorías,” dijo Matthias Ihme, un profesor asociado del departamento de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Stanford que dirigió el análisis teórico. “Estas medidas son críticas para testear los modelos teóricos que predicen estos procesos”.

“Muchos estados y estructuras intermedios en reacciones químicas o se desconocen o no se han observado directamente,” añade Xijie Wang, miembro distinguido de los científicos de SLAC. “Podemos utilizar MeV-UED para explorar y capturar varios complejos importantes de vida corta, abriendo la ventana al estudio de las reacciones químicas a medida que ocurren”.

 

 

Fuente: SLAC Stanford