Рентгеновские лучи являются одним из важнейших диагностических инструментов в медицине, биологии и материаловедении, поскольку они могут проникать глубоко в материал, непрозрачный для человеческого глаза. Однако их прохождение через образец может иметь побочные эффекты, поскольку поглощение рентгеновских лучей приводит к увеличению энергии в глубоких слоях образца.
В крайних случаях применение рентгеновских лучей ограничивается этими побочными эффектами, известными как «радиационное повреждение». Медицина — это та область, в которой необходимо минимизировать поглощенную дозу рентгеновского излучения.
Удивительно, но неясно, что происходит, когда рентгеновские лучи поглощаются, например, биологической тканью, состоящей из воды, биомолекул и некоторых атомов металлов. Одна из причин этого заключается в том, что первые несколько этапов реакции после поглощения рентгеновского излучения происходят очень быстро, в пределах 10–100 фемтосекунд.
Фемтосекунда — это единица времени в системе СИ, равная 10-15. Другими словами, это одна миллионная миллиардной доли секунды.
За это время в сложном каскаде событий испускается несколько электронов и создаются положительно заряженные реактивные частицы (ионы). Большинство экспериментов, проведенных до сих пор, смогли охарактеризовать это конечное состояние только спустя долгое время после завершения каскадной реакции.
Однако именно точное понимание промежуточных этапов очень важно для предсказания и дизайна радиационных эффектов в веществе.Теперь команда провела эксперимент, в котором были получены беспрецедентно подробные изображения первых нескольких сотен фс после поглощения рентгеновского излучения веществом.
В биологической системе многие молекулы воды гибко расположены вокруг биологически функциональных молекул, не связываясь с ними прочно.В качестве модельной системы для этого был создан гибкий, слабо связанный агрегат из двух различных благородных газов, Ne и Kr, путем их охлаждения до чрезвычайно низких температур.
Затем эти кластеры Ne-Kr подвергались воздействию импульсного рентгеновского излучения источника синхротронного излучения SPring-8, которое в условиях, выбранных для эксперимента, преимущественно ионизировало атомы Ne.Используя продвинутую экспериментальную установку, команда смогла регистрировать все электроны и ионы, которые были созданы при каждом событии поглощения рентгеновских лучей.
Они обнаружили, что всего через несколько сотен фс после начальной ионизации атом Ne, поглотивший рентгеновское излучение, а также два соседних атома Kr были все в ионизированном положительно заряженном состоянии.Механизм, с помощью которого происходит это сверхбыстрое перераспределение заряда, теоретически предложенный членом исследовательской группы Лоренцем Седербаумом, получил название «распад, опосредованный переносом электрона» (ETMD). Он состоит из переноса электрона к первоначально ионизированному атому Ne, сопровождаемого передачей энергии от Ne, что приводит к ионизации второго атома Kr поблизости.
Эксперимент ясно демонстрирует, что сильно локализованный заряд, производимый рентгеновскими лучами в веществе, перераспределяется по многим атомным узлам за удивительно короткое время.Киёси Уэда говорит: «Мы считаем, что понимание процессов, инициированных рентгеновскими лучами, на микроскопическом уровне приведет к новым открытиям в таких дисциплинах, как физика, биология и химия».
Эти результаты были опубликованы в научном журнале Nature Communications.