Bulles d'électrons modélisées à partir de données laser à rayons X
Une équipe internationale de scientifiques découvre un modèle révolutionnaire pour les effets des rayonnements dans les systèmes d'eau
Que se passe-t-il lorsque les radiations touchent l'eau ? C'est une question qui se pose chaque fois que vous passez une radiographie chez le médecin, puisque vous êtes principalement constitué d'eau. Une équipe de physiciens théoriciens de DESY a travaillé sur des données recueillies par des collègues du Laboratoire national d'Argonne (États-Unis) au laser à rayons X LCLS (Californie) afin d'obtenir une meilleure réponse à cette question. Ce qu'ils ont découvert pourrait régler une controverse en physique sur la présence d'électrons libres dans l'eau et leur comportement à très court terme : les électrons, non liés à des atomes, sont séquestrés dans des bulles dans des structures en forme de cage entre les molécules d'eau individuelles. Ces résultats sont publiés dans le Journal of the American Chemical Society.
En utilisant le laser à rayons X LCLS en Californie, l'équipe expérimentale, dirigée par Linda Young, scientifique d'Argonne, a pu imager les structures des molécules d'eau entourant les bulles d'électrons. L'équipe théorique de Hambourg, dirigée par Ludger Inhester, scientifique senior au CFEL, a pu modéliser le comportement de la bulle elle-même en utilisant les données de l'équipe expérimentale.
DESY/ Arturo Sopena Moros
Dans le cadre de leurs travaux au LCLS, au SLAC National Accelerator Laboratory, l'équipe expérimentale, dirigée par Linda Young, scientifique d'Argonne, a observé des signatures étranges associées aux molécules d'eau excitées par les lasers et imagées par le laser à rayons X. Ils ont trouvé des structures parmi les molécules en utilisant le laser à rayons X. Ils ont également découvert des structures dans les molécules en utilisant le laser à rayons X. Ils ont trouvé des structures parmi les molécules en utilisant la spectroscopie d'absorption des rayons X. Afin de mieux comprendre la signification de ces résultats, l'équipe chargée de l'expérience s'est tournée vers des physiciens théoriques de Hambourg.
Une équipe dirigée par Ludger Inhester, scientifique de DESY au Centre pour la science des lasers à électrons libres, a examiné les données et a commencé à élaborer des modèles à partir de ces données, en coordination avec l'équipe expérimentale. Leurs conclusions montrent que les électrons libres présents dans l'eau forment des bulles qui sont ensuite enfermées dans des molécules d'eau, de la même manière que les produits chimiques sont solvatés dans l'eau au niveau moléculaire. En particulier, l'équipe DESY a réussi à montrer le processus qui sous-tend cette solvatation des électrons dans l'eau et ses paramètres.
"Il s'avère que le processus de dissolution et donc la formation des structures en cage sont remarquablement sensibles aux changements de température de l'eau", explique Arturo Sopena, premier auteur de l'étude. Les nouvelles connaissances sur le processus de solvatation montrent que l'électron, qui se trouve d'abord dans une large zone parmi les molécules d'eau, s'accroche à des modèles de liaison hydrogène spécifiques qui se produisent dans l'eau liquide moléculaire, puis "s'enfonce" plus profondément dans une zone très étroite au sein de la structure de l'eau. Ce "creusement" et la réorientation associée des molécules d'eau voisines se déroulent remarquablement vite et sont achevés en 100 femtosecondes, une femtoseconde étant un quadrillionième de seconde. La bulle, qui mesure environ 50 milliardièmes de mètre de large, se dissocie en quelques picosecondes, soit un trillionième de seconde.
"Comment l'eau réagit-elle lorsqu'elle est exposée à des radiations ? C'est une question essentielle", explique M. Inhester. "Ce sont les premières étapes de la réaction chimique qui sont entraînées par le rayonnement et qui déterminent également la chimie du rayonnement qui suit, ce qui s'applique également au matériel biologique.
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Publication originale
Arturo Sopena Moros, Shuai Li, Kai Li, Gilles Doumy, Stephen H. Southworth, Christopher Otolski, Richard D. Schaller, Yoshiaki Kumagai, Jan-Erik Rubensson, Marc Simon, Georgi Dakovski, Kristjan Kunnus, Joseph S. Robinson, Christina Y. Hampton, David J. Hoffman, Jake Koralek, Zhi-Heng Loh, Robin Santra, Ludger Inhester, Linda Young; "Tracking Cavity Formation in Electron Solvation: Insights from X-ray Spectroscopy and Theory"; Journal of the American Chemical Society, 2024-1-25
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