Международная команда химиков и физиков экспериментально обнаружила ключевой этап ионизации жидкой воды. Эта реакция имеет значение для широкого круга областей, включая ядерную инженерию, космические путешествия, лечение рака и восстановление окружающей среды.

Радиолиз воды — ее разложение под действием ионизирующего излучения — часто встречающееся в природе явление, которое играет решающую роль во многих биохимических и технологических приложениях. Под воздействием высокоэнергетического излучения в воде происходит череда сверхбыстрых реакций.

Первым делом луч лазера выбивает из молекулы воды один электрон, оставляя ее положительно заряженной. Затем за триллионные доли секунд эта молекула отдает свой протон — положительно заряженный атом водорода — соседней молекуле воды. В результате первая молекула превращается в очень реакционноспособный гидроксильный радикал ⋅OH, а вторая — в ион гидроксония H₃O⁺.

Каждое из соединений, образующихся в этом процессе, представляет интерес для ученых: гидроксильный радикал крайне активен и может вступать в реакцию с макромолекулами — ДНК, РНК и белками, чем способен навредить живому организму; ион гидроксония — соединение, которое находят в хвостах комет, оно может содержать подсказки о происхождении жизни.

Ранее исследователи экспериментально показали, как происходит образование свободного радикала ⋅OH. О дальнейших превращениях свидетельствовали многочисленные симуляции, а в новом исследовании, опубликованном в журнале Science, исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC «поймали» и саму гидроксил-гидроксониевую пару.

Чтобы наблюдать короткоживущий комплекс гидроксил-гидроксоний, исследователи генерировали струи жидкой воды толщиной 100 нанометров — примерно в одну коронавирусную частицу — и ионизировали молекулы воды с помощью луча лазера. Изменения, происходящие при этом на молекулярном уровне, изучали при помощи сверхбыстрой электронной дифракции — метода, позволяющего создавать «молекулярные видео» с высоким временным и пространственным разрешением.

По принципу действия метод сверхбыстрой электронной дифракции похож на рентгеновскую видеокамеру для молекул. На исследуемый материал направляют пучок электронов, а затем анализируют траектории электронов, прошедших сквозь него. В отличие от рентгеновского излучения, электронный пучок чувствителен не только к электронам, но и к ядрам изучаемого материала, что позволяет детальнее исследовать структуру. А серия очень коротких импульсов помогает делать картинки одну за другой, фиксируя быстрые изменения.

В дальнейшем исследователи планируют дополнительно увеличить скорость визуализации и наблюдать процесс переноса протона, который происходит до образования пар гидроксил-гидроксоний, а также отследить судьбу выбитого лазером электрона.