Sciencemag.cz
Doporučujeme
Ionizující záření ve vodě: Kvantový valčík protonu s elektrony
Skupina teoretické fotodynamiky na Ústavu fyzikální chemie VŠCHT Praha ve spolupráci s německými a francouzskými kolegy popsala soupeření mezi různými způsoby, kterými se molekuly zbavují energie získané rentgenovým zářením. Práce vyšla v časopise Nature Communications a je pokračováním několikaletého úsilí týmu, díky kterému začínáme rozumět destruktivnímu vlivu ionizujícího záření na úrovni jednotlivých molekul.
Chemické reakce se dají vyvolat různě, když nepomůže reaktanty zahřát, může se na molekuly posvítit – to dělá fotochemie. Chemici většinou fotochemii moc rádi nemají, světlo totiž vede k celé drogerii nežádoucích produktů. Rentgenové záření má ještě horší pověst – v souvislosti s ním se častěji mluví o radiačním poškození spíše než o chemických reakcích. O těchto destruktivních účincích se bolestně přesvědčili už pionýři rentgenologie. Je proto překvapivé, jak skromné jsou doposud naše znalosti o molekulárních detailech účinku ionizujícího záření. Jisté je jen jedno: klíčem k pochopení je voda, které je v těle nejvíce.
V čerstvé práci se vědci z Lipska, Prahy a Paříže zaměřili na otázku, co se děje po ozáření ve vodě v průběhu prvních několika femtosekund. Konkrétně je zajímal děj zvaný mezimolekulový coulombovský rozpad (ICD): vyražení elektronu z jedné molekuly vede následně k vypuzení elektronu z molekuly sousední. Tento jev byl ve vodě experimentálně pozorován teprve v roce 2010 a může hrát velkou roli, neboť při něm z molekul vyletují nebezpečné pomalé elektrony, poškozující molekuly DNA. „Před několika lety jsme spočítali, že ICD může být silně utlumen ultrarychlou chemickou reakcí, přenosem protonu, mezi sousedními molekulami,“ říká profesor Slavíček a dodává „Zmínil jsem se o našich výsledcích před Uwe Hergenhahnem, který ICD v roce 2010 ve vodě poprvé pozoroval. Uwe k mému překvapení vytáhnul ze šuplíku data, která jsou našim zjištěním vysvětlena.“ Přesto trvalo ještě několik let, než se podařilo vše dotáhnout do podoby, se kterou byli všichni spokojení. Ukázalo se, že pozorované chování je důsledkem kvantového chování vodíku – kdyby byla voda vytvořena z těžších atomů, chovala by se úplně jinak. Kvantová povaha vodíku tak dělá ionizující záření o něco málo méně nebezpečné – pomalých elektronů se vytváří méně, než by mohlo. Díky společnému úsilí tak mají nyní vědci ozářenou vodu dokonale přečtenou. Vědí, jak rychle z ní vyletují elektrony, a dokáží monitorovat chemické reakce.
Tým na VŠCHT se začal fotochemií vysokých energií věnovat před několika lety. Navázal přitom na zkušenosti s modelováním fotochemických reakcí a přenesl výpočetní technologie do oblasti, kde fotony mají stonásobně větší energii. S pomocí molekulárního modelování se již podařilo naleznout několik nových, doposud nepopsaných jevů, které by mohly vést kupříkladu k novým metodám pro studium materiálů. Konečným cílem je ukázat, že rentgenové záření neznamená jenom destrukci, ale že jím lze molekuly definovaně měnit. Klíčem k přesné manipulaci molekul je ovládnutí záření jak v energii, tak v čase. V posledních letech se možnosti v tomto směru rychle rozšiřují. Roste počet synchrotronů, se kterými je možné získat laditelné rentgenové záření, a objevilo se také několik prvních rentgenových laserů s volnými elektrony – zde je možné rentgenové záření ovládat s femtosekundovým rozlišením. Jde ovšem o nákladná zařízení, jejichž cena je srovnatelná s experimenty ve fyzice částic. Jen díky nim se ale posunujeme dále v poznání materiálního světa kolem nás.
Odkaz na práci
Competition between proton transfer and intermolecular Coulombic decay in water. C. Richter, D. Hollas, Clara-Magdalena Saak, M. Förstel , T. Miteva, M. Mucke, O. Björneholm, N. Sisourat, P. Slavíček, U. Hergenhahn, Nature Communications 9, 4988 (2018) DOI: 10.1038/s41467-018-07501-6
