• O processo: A pesquisa centra-se no decaimento mediado por transferência de elétrons (ETMD), um processo acionado por radiação que pode causar a ruptura de átomos frouxamente ligados. Este mecanismo é especialmente importante porque pode gerar partículas altamente reativas na água, tornando-se um fator chave na forma como a radiação danifica os sistemas biológicos.
• O experimento: Os cientistas acompanharam este processo com detalhes notáveis ​​usando um microscópio de reação especializado, combinado com simulações teóricas avançadas. Isso lhes permitiu acompanhar exatamente como o decaimento se desenrola ao longo do tempo em um sistema modelo cuidadosamente controlado.
• O que eles descobriram: A equipe criou efetivamente um “filme” em tempo real de átomos movendo-se uns em torno dos outros por até um picossegundo antes que o sistema finalmente se desintegrasse. Isto revela um processo dinâmico e em constante mudança, em vez de um evento simples e estático.
• Por que é importante: Essas descobertas fornecem uma imagem mais clara de como os danos da radiação se desenvolvem no nível atômico. Ao compreender este processo mais profundamente, os pesquisadores podem melhorar os modelos dos efeitos da radiação em ambientes biológicos e potencialmente orientar futuras estratégias de proteção.

Como a radiação danifica as células no nível atômico

A radiação de alta energia, como os raios X, pode danificar as células vivas ao perturbar átomos e moléculas. Quando isso acontece, essas partículas ficam excitadas e muitas vezes se decompõem, o que pode destruir biomoléculas importantes e perturbar sistemas biológicos maiores. Dado que podem ocorrer muitos tipos diferentes de processos de decaimento, os cientistas estudam-nos de perto para compreender melhor como a radiação causa danos e como estes podem ser reduzidos.

Num novo estudo, investigadores do Departamento de Física Molecular e colaboradores internacionais concentraram-se num processo específico orientado pela radiação denominado decaimento mediado por transferência de electrões (ETMD). Neste processo, a radiação primeiro excita um átomo. Esse átomo então se estabiliza puxando um elétron de um átomo próximo, enquanto a energia liberada ioniza um terceiro vizinho. A equipe foi capaz de observar diretamente como os átomos em um sistema modelo mudam e se reorganizam antes que esse decaimento incomum ocorra. Seus resultados fornecem a visão mais detalhada em tempo real e em espaço real do ETMD até o momento.

Rastreando o movimento atômico em tempo real

Para investigar este processo, os cientistas usaram um sistema modelo simples feito de um átomo de néon fracamente ligado a dois átomos de criptônio (trímero NeKr2). Depois de eliminar um elétron do átomo de néon usando raios X suaves, eles acompanharam como o sistema evoluiu por até um picossegundo, que é extremamente longo em uma escala de tempo atômica, antes de ocorrer o decaimento. Durante esse tempo, um elétron foi transferido entre os átomos e um elétron de baixa energia foi emitido.

Usando um microscópio de reação COLTRIMS avançado nas instalações síncrotron BESSY II (Berlim) e PETRA III (Hamburgo), os pesquisadores reconstruíram a disposição exata dos átomos no momento em que ocorreu o decaimento. Eles combinaram essas medições com simulações detalhadas ab initio que rastrearam milhares de caminhos atômicos possíveis e calcularam a probabilidade de decaimento ao longo de cada um deles.

Um “filme” de átomos em movimento

As descobertas revelaram algo inesperado. Os átomos não permaneceram fixos no lugar. Em vez disso, moviam-se num padrão de roaming, mudando constantemente as suas posições e remodelando a estrutura do sistema. Este movimento afetou fortemente o momento e o resultado da decadência.

“Podemos literalmente observar como os átomos se movem antes do decaimento acontecer”, diz Florian Trinter, um dos autores principais. “O decaimento não é apenas um processo eletrônico – é controlado pelo movimento nuclear de uma forma muito direta e intuitiva”.

O estudo mostra que o ETMD não ocorre a partir de uma única estrutura estável. Diferentes arranjos dominam em diferentes momentos. No início, o decaimento acontece próximo à configuração original. Mais tarde, um átomo de criptônio se aproxima do átomo de néon enquanto o outro se afasta, criando condições favoráveis ​​para a transferência de elétrons e o fluxo de energia. Em estágios ainda mais avançados, os átomos formam formas mais esticadas e distorcidas, refletindo um movimento oscilante e errante. Essas mudanças fazem com que a taxa de decaimento varie significativamente dependendo da geometria.

“Os átomos exploram grandes regiões do espaço de configuração antes que o decaimento finalmente ocorra”, explica Till Jahnke, autor sênior do estudo. “Isso mostra que o movimento nuclear não é uma correção menor – ele controla fundamentalmente a eficiência do decaimento eletrônico não local”.

Por que compreender o ETMD é importante

O ETMD tem atraído interesse crescente porque produz elétrons de baixa energia, que podem provocar danos químicos em líquidos e materiais biológicos. Saber como esse processo depende do arranjo e do movimento atômico é essencial para modelar com precisão os danos da radiação na água e em ambientes biológicos, bem como para interpretar experimentos ultrarrápidos de raios-X. Os resultados também apoiam o desenvolvimento de modelos teóricos que possam aplicar estes conhecimentos a sistemas maiores e mais complexos.

Ao oferecer uma referência precisa para o sistema mais simples capaz de ETMD com três átomos, este estudo fornece uma base para estender essas ideias a líquidos, íons solvatados e sistemas biológicos.

“Este trabalho mostra como o decaimento eletrônico não local pode ser usado como uma poderosa sonda de movimento molecular”, concluem os autores. “Isso abre a porta para imagens de dinâmica ultrarrápida em matéria fracamente ligada com detalhes sem precedentes.”