Notícia

Estudo da dinâmica do elétron em milionésimos de bilionésimo de segundo revela o dano que a radiação pode causar em nível molecular

Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Fonte

Imperial College de Londres

Data

sábado, 22 janeiro 2022 16:15

Áreas

Física Médica.

Um novo estudo usou pulsos de laser de raios-X ultrarrápidos para romper os elétrons em uma molécula de óxido nitroso e medir as mudanças resultantes com uma precisão sem precedentes. O trabalho, publicado na revista Science, foi realizado no Linac Coherent Light Source (LCLS) no Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), nos Estados Unidos, e foi apoiado por uma equipe de cinco cientistas do Imperial College de Londres.

Os raios X convencionais usados ​​em imagens e radioterapia podem causar danos às células, mas não se sabe exatamente como são esses danos em nível molecular. Além disso, novos lasers de raios-X de alta intensidade e curta duração de pulso estão sendo propostos para imagens de moléculas menores com maior precisão, levando a questões sobre possíveis danos que isso poderia causar aos tecidos vivos.

Pela primeira vez, os pesquisadores foram capazes de medir o comportamento dos elétrons em uma molécula em resposta à irradiação por raios-X ultrarrápidos em escalas de tempo de attossegundos – menos de milionésimos de bilionésimo de segundo.

Novos limites

“Ser capaz de atingir algumas centenas de attossegundos de precisão na dinâmica dos elétrons significa que agora podemos começar a entender certos fenômenos a novos limites. O fato é que algumas dinâmicas de elétrons em questões importantes, como os danos de radiação em biomoléculas, até agora foram muito rápidas para podermos compreender. Com esse novo entendimento, podemos, por exemplo, ser mais capazes de mitigar os danos indesejados da radiação durante a radioterapia”, disse o Dr. Jon Marangos, coautor do estudo e professor do Departamento de Física do Imperial College.

Os pesquisadores dispararam simultaneamente um pulso de raios-X e um pulso de laser em uma molécula de óxido nitroso – o primeiro para tirar um elétron de seu lugar e o segundo para cronometrar as mudanças resultantes. Anteriormente, usando raios-X convencionais, os pesquisadores observaram a emissão de elétrons em um processo conhecido como decaimento Auger-Meitner (AM) em uma escala de tempo rápida.

Agora, com os lasers de raios-X mais rápidos, eles puderam observar um novo fenômeno imposto ao decaimento AM. Os elétrons podem ser difíceis de rastrear por causa dos efeitos quânticos, o que significa que os elétrons podem estar em vários estados quânticos ao mesmo tempo.

O pulso de raios-x muito curto cria uma “coerência quântica” – uma superposição de diferentes estados quânticos de elétrons da molécula altamente excitada. A medição com precisão de attossegundos revelou uma “batida quântica” – um padrão repetido criado pela coerência – imposto ao decaimento AM conforme observado na corrente de elétrons emitida.

Medições com ‘attoclock’

O tempo do decaimento AM e da batida quântica foi realizado usando um ‘attoclock’, que faz uso do pulso de laser óptico circularmente polarizado disparado ao mesmo tempo que o pulso de raios-X. A direção do campo do laser gira muito rápido e dá impulso ao elétron, que marca seu tempo de emissão.

O sinal de um elétron foi registrado como uma posição em um detector sensível ao momento, registrando o tempo na rotação do campo do laser em que o elétron apareceu. Isso permitiu que a equipe cronometrasse com precisão a dinâmica dos elétrons com base em onde os sinais apareceram no detector.

A configuração de lasers ultrarrápidos em conjunto com o attoclock usada pela equipe abrirá caminho para estudos que observam o movimento rápido de elétrons em moléculas mais complexas em escalas espaciais subnanométricas (um bilionésimo de metro), permitindo que os pesquisadores rastreiem as interações entre diferentes partes dos átomos e moléculas sob investigação.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Imperial College de Londres (em inglês).

Fonte: Hayley Dunning, Imperial College de Londres. Imagem: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory.

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