Primeiro filme atômico revela fatores ocultos de danos causados ​​pela radiação

• processo: A pesquisa se concentra no decaimento mediado por transferência de elétrons (ETMD), um processo acionado por radiação que pode causar a ruptura de átomos frouxamente ligados. Este mecanismo é particularmente importante porque pode gerar partículas altamente reativas na água, tornando-se um fator chave nos danos causados ​​pela radiação aos sistemas biológicos.
• experimentar: Os cientistas acompanharam esse processo detalhadamente usando microscopia de reação especializada combinada com simulações teóricas avançadas. Isso permitiu que eles rastreassem com precisão como a deterioração se desenrola ao longo do tempo em sistemas modelo cuidadosamente controlados.
• O que eles encontraram: A equipe criou efetivamente um “filme” instantâneo no qual os átomos se movem uns contra os outros por até um picossegundo antes que o sistema finalmente entre em colapso. Isto revela um processo dinâmico e em constante mudança, em vez de um simples evento estático.
• Por que é importante: As descobertas fornecem uma imagem mais clara de como os danos da radiação se desenvolvem no nível atômico. Ao obter uma compreensão mais profunda deste processo, os investigadores podem melhorar os modelos dos efeitos da radiação em ambientes biológicos e potencialmente orientar futuras estratégias de conservação.

Como a radiação danifica as células em nível atômico

A radiação de alta energia, como os raios X, pode danificar células vivas ao perturbar átomos e moléculas. Quando isso acontece, essas partículas ficam excitadas e muitas vezes se decompõem, destruindo biomoléculas importantes e perturbando sistemas biológicos maiores. Como podem ocorrer muitos tipos diferentes de processos de decomposição, os cientistas estudam-nos cuidadosamente para compreender melhor como a radiação causa danos e como reduzi-los.

Num novo estudo, investigadores do Departamento de Física Molecular e colaboradores internacionais concentraram-se num processo específico orientado pela radiação denominado decaimento mediado por transferência de electrões (ETMD). Neste processo, a radiação primeiro excita os átomos. O átomo então se estabiliza puxando elétrons de átomos próximos, liberando energia que ioniza um terceiro vizinho. A equipe foi capaz de observar diretamente como os átomos no sistema modelo se moviam e se reorganizavam antes que ocorresse esse decaimento incomum. Seus resultados fornecem a visão mais detalhada do espaço real e instantânea do ETMD até o momento.

Acompanhe o movimento atômico em tempo real

Para estudar este processo, os cientistas usaram um sistema modelo simples que consiste num átomo de néon fracamente ligado a dois átomos de criptónio (um trímero NeKr2). Depois de usar raios X suaves para retirar elétrons dos átomos de néon, eles rastrearam a evolução do sistema por até picossegundos antes de ocorrer o decaimento, o que é extremamente longo em escalas de tempo atômicas. Durante esse tempo, elétrons são transferidos entre átomos e elétrons de baixa energia são emitidos.

Usando os avançados microscópios de reação COLTRIMS nas instalações síncrotron BESSY II (Berlim) e PETRA III (Hamburgo), os pesquisadores reconstruíram o arranjo preciso dos átomos quando ocorreu o decaimento. Eles combinaram essas medições com simulações detalhadas ab initio, traçando milhares de caminhos atômicos possíveis e calculando a probabilidade de decaimento de cada caminho.

Um “filme” sobre átomos em movimento

As descobertas revelaram algo inesperado. Os átomos não estão presos no lugar. Em vez disso, movem-se de forma errante, mudando constantemente de posição e remodelando a estrutura do sistema. Este movimento afeta fortemente o momento e o resultado da decadência.

“Podemos literalmente observar como os átomos se movem antes que ocorra o decaimento”, disse Florian Trint, um dos principais autores. “A decadência não é apenas um processo eletrônico – é guiada pelo movimento nuclear de uma forma muito direta e intuitiva”.

A pesquisa mostra que o ETMD não surge de uma única estrutura estável. Tempos diferentes têm arranjos diferentes. No início, o decaimento ocorre próximo à configuração original. Um átomo de criptônio então se aproxima do átomo de néon, enquanto o outro se afasta do átomo de néon, criando condições favoráveis ​​para a transferência de elétrons e o fluxo de energia. Em estágios posteriores, os átomos formam formas mais esticadas e torcidas, refletindo movimentos oscilantes e errantes. Essas mudanças fazem com que a taxa de decaimento varie significativamente dependendo da geometria.

“Antes que o decaimento finalmente ocorra, os átomos exploram grandes áreas do espaço de configuração”, explica Till Jahnke, autor sênior do estudo. “Isso mostra que o movimento nuclear não é uma correção minúscula – ele controla fundamentalmente a eficiência do decaimento eletrônico não local.”

Por que é importante entender o ETMD

O ETMD tem atraído interesse crescente porque gera elétrons de baixa energia que podem iniciar danos químicos em líquidos e materiais biológicos. Compreender como esse processo depende do arranjo e do movimento atômico é fundamental para modelar com precisão os danos da radiação em ambientes aquosos e biológicos e para interpretar experimentos ultrarrápidos de raios-X. As descobertas também apoiam o desenvolvimento de modelos teóricos que podem aplicar estes conhecimentos a sistemas maiores e mais complexos.

Ao fornecer uma referência precisa para o sistema mais simples de ETMD com três átomos, este estudo fornece uma base para estender essas ideias a líquidos, íons solvatados e sistemas biológicos.

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