Primul „film” atomic surprinde atomii care se mișcă înainte de a declanșa deteriorarea prin radiații
Cercetători au „filmat” mișcarea atomilor într-un trimer NeKr2 înainte de degradarea indusă de radiații, demonstrând că dinamica nucleară controlează ETMD.
Sursa foto: Sciencedaily
O echipă internațională de cercetători a reușit să filmeze în timp real mișcarea atomilor chiar înainte ca un proces de degradare indus de radiații să aibă loc, demonstrând că nu doar electronii, ci și mișcarea nucleelor atomice determină când și cum se produce degradarea. Lucrarea, realizată în colaborare cu Fritz Haber Institute of the Max Planck Society, oferă prima privire detaliată, în spațiu real și timp real, asupra unei clase de procese numite electron-transfer-mediated decay (ETMD) și marchează un pas înainte în înțelegerea mecanismelor fundamentale ale efectelor radiațiilor asupra materiei biologice.
Un sistem-model simplu pentru un fenomen complex
Cercetătorii au ales un sistem-model deliberat simplu: un trimer format dintr-un atom de neon slab legat de doi atomi de krypton (NeKr2). După excitarea inițială a atomului de neon — realizată prin îndepărtarea unui electron cu ajutorul unor raze X moi — sistemul evoluează timp de până la o picosecundă înainte ca procesul de degradare să se finalizeze. Această durată, foarte mare la scară atomică, a permis echipei să urmărească dinamica nucleară care precede și influențează ETMD.
Ce este ETMD și de ce contează
Electron-transfer-mediated decay (ETMD) este un mecanism de degradare indus de radiații în care un atom excitat se stabilizează prin preluarea unui electron de la un vecin, în timp ce energia eliberată ionizează un al treilea atom din apropiere. În termeni practici, procesul generează electroni cu energie mică care pot declanșa reacții chimice dăunătoare în medii lichide sau biologice. Din acest motiv, ETMD este considerat un actor important în modul în care radiațiile afectează moleculele din apă și, prin extensie, biomoleculele din celule.
Metoda: combinarea unui microscop de reacții COLTRIMS cu simulări ab initio
Pentru a „filma” mișcarea atomilor, echipa a utilizat un microscop de reacții avansat COLTRIMS instalat la facilitățile de sincrotron BESSY II (Berlin) și PETRA III (Hamburg). Acest aranjament experimental le-a permis cercetătorilor să reconstruiască aranjamentul exact al atomilor în clipa în care avea loc degradarea. Datele experimentale au fost apoi corelate cu simulări teoretice ab initio detaliate, care au urmărit mii de traiectorii atomice posibile și au calculat probabilitatea de degradare asociată fiecăreia.
Fuzionarea informațiilor experimentale și teoretice
Prin combinarea măsurătorilor COLTRIMS cu simulările ab initio, echipa a putut nu doar să determine momentul în care are loc ETMD, ci și să identifice modul în care configurațiile atomice variate influențează eficiența și rezultatul procesului. Această abordare hibridă a condus la crearea unei reprezentări cinematografice a mișcării atomice: o „peliculă atomică” care surprinde atomii ‘‘rătăcind’’ și reorganizându-se înainte de destrămare.
Observații cheie: atomii „rătăcesc” și restructurează procesul de degradare
Contrar imaginii intuitive potrivit căreia etapele electronice domină astfel de procese, cercetătorii au observat că nucleele atomice nu rămân fixe. În intervalul de până la o picosecundă anterior degradării, cele trei atomi ai trimerului NeKr2 se deplasează într-un mod care echipele au descris ca „roaming” (rătăcire) — o dinamică oscilatorie și de întindere care modifică constant geometria sistemului. Această dinamică nucleară influențează semnificativ atât momentul, cât și rezultatul ETMD.
Etapele dinamice ale ETMD în trimerul NeKr2
Analiza a indicat o succesiune de stări predominante în diferite momente ale evoluției:
La început, degradarea apare dintr-o configurație apropiată de cea inițială, similară cu aranjamentul în care a fost excitat atomul de neon.
Ulterior, dinamica nucleară conduce la o configurație în care unul dintre atomii de krypton se apropie de atomul de neon, în timp ce celălalt krypton se îndepărtează, favorizând transferul de electron și fluxul de energie necesar pentru emiterea unui electron de joasă energie.
În fazele ulterioare, atomii adoptă configurații mai întinse și deformate, reflectând o mișcare de tip balansare sau rătăcire, iar rata de degradare variază semnificativ în funcție de geometria instantanee.
Interpretarea cercetătorilor: mișcarea nucleară controlează eficiența ETMD
Autorii studiului subliniază că mișcarea nucleară nu este doar o corecție minoră la un proces electronic; dimpotrivă, ea guvernează direct eficiența și probabilitatea de apariție a ETMD. „Putem urmări literalmente cum se mișcă atomii înainte ca degradarea să aibă loc,” spune Florian Trinter, unul dintre autorii principali. El explică faptul că procesul nu este doar electronic, ci este „direcționat de mișcarea nucleară într-un mod foarte direct și intuitiv.”
Till Jahnke, autor principal al studiului, adaugă că atomii explorează regiuni vaste ale spațiului de configurație înainte ca degradarea să se producă, ceea ce arată că dinamica nucleară controlează fundamental eficiența acestor procese de degradare electronică non-locală.
De ce contează această descoperire pentru domeniul radiațiilor și al biologiei
Rezultatele sunt semnificative din mai multe motive practice și conceptuale. În primul rând, ETMD generează electroni de joasă energie care au potențialul de a declanșa reacții chimice dăunătoare în medii apoase, făcând procesul relevant pentru modul în care radiațiile afectează celulele și moleculele biologice. În al doilea rând, înțelegerea dependenței degradeării de pe configurație și mișcare atomică este esențială pentru modelarea corectă a efectelor radiațiilor în apă, ioni solvați și sisteme biologice mai complexe.
Prin furnizarea celui mai detaliat punct de referință pentru cel mai simplu sistem capabil de ETMD cu trei atomi, acest studiu oferă baza pentru extinderea acestor idei la sisteme mai mari și mai complexe, inclusiv soluții apoase și molecule biologice. În același timp, rezultatele pot ghida interpretarea experimentelor ultrarapide cu raze X, unde separarea efectelor electronice de cele nucleare este adesea dificilă.
Implicații teoretice și direcții viitoare
Cercetarea confirmă utilitatea utilizării deschiderilor experimentale de înaltă rezoluție combinate cu simulări teoretice exhaustive pentru a demasca dinamica mică care guvernează procese macroscopice. Observațiile oferă un test riguros pentru modelele teoretice ale ETMD și sugerează că, pentru a prezice corect efectele radiațiilor în medii complexe, modelele trebuie să includă în mod explicit dinamica nucleară timp de intervale care pot ajunge la ordinea picosecundelor.
Autorii concluzionează că ETMD poate fi folosit ca un instrument puternic pentru a investiga dinamica moleculară ultrarapidă în materie slab legată, deschizând astfel posibilitatea imagisticii mișcărilor ultrarapide în sisteme slabe legate cu un nivel de detaliu fără precedent.
Date, publicație și recunoaștere
Studiul a fost publicat în Journal of the American Chemical Society (2026; 148 (4): 4126) și este semnat de Florian Trinter, Jaroslav Hofierka, Jonas Rist, Max Kircher, Miriam Weller, Niklas Melzer, Dimitrios Tsitsonis, Angelina Geyer, Jan Kruse, Gregor Kastirke, Joshua B. Williams, Tsveta Miteva, Reinhard Dörner, Markus S. Schöffler, Maksim Kunitski, Nicolas Sisourat, Lorenz S. Cederbaum și Till Jahnke. Referința DOI a lucrării este 10.1021/jacs.5c15510.
Informații suplimentare despre cercetare și rezultatele detaliate pot fi consultate prin intermediul comunicatului institutului și al publicației științifice:
Comunicatul Fritz Haber Institute of the Max Planck Society
Un pas înainte în înțelegerea daunelor cauzate de radiații
Prin demonstrarea că mișcarea atomică are un rol central în declanșarea ETMD, acest studiu schimbă perspectiva asupra mecanismelor de deteriorare induse de radiații: nu este suficient să urmărim doar excitarea electronică; trebuie să înțelegem și cascada de modificări ale geometriilor atomice care pot transforma o stare excitata într-un eveniment de degradare cu consecințe chimice importante. Această perspectivă poate orienta viitoare strategii de protecție și modelare în domenii care merg de la radiobiologie la fizica radiațiilor și chimia soluțiilor.
Data comunicării principalei descrieri a studiului către presă este 24 martie 2026, iar materialul a fost transmis de Fritz Haber Institute of the Max Planck Society. Studiul întâlnește un interes crescând datorită relevanței sale pentru înțelegerea modului în care riscurile asociate radiațiilor se propagă la scară atomică și moleculară.
