Grazie ad un esperimento che ha isolato il movimento energetico di un elettrone in un campione di acqua liquida è stato fatto un altro (grande) passo in avanti nella comprensione degli effetti biologici delle radiazioni. Inoltre, nella conduzione di questa esperienza scientifica, è stata adottata una tecnica simile alla “fotografia in stop-motion”.

I risultati, ottenuti da un gruppo di ricercatori internazionale, riportati sulla rivista Science, gettano così nuova luce sulla struttura elettronica delle molecole in fase liquida. La nuova tecnica rivela la risposta elettronica immediata che avviene quando un bersaglio viene colpito da un raggio X, un passo importante per comprendere gli effetti dell'esposizione alle radiazioni su oggetti e persone. "Le reazioni chimiche indotte dalle radiazioni che vogliamo studiare sono il risultato della risposta elettronica del bersaglio che avviene su una scala temporale di attosecondi", ha dichiarato Linda Young, autrice senior della ricerca e Distinguished Fellow dell'Argonne National Laboratory. "Finora i chimici delle radiazioni potevano risolvere solo eventi su scala di picosecondi, un milione di volte più lenti di un attosecondo", ha continuato Young. "Un po' come dire “sono nato e poi sono morto”, si vorrebbe sapere cosa succede nel mezzo - ha spiegato Young - questo è ciò che siamo ora in grado di fare”.

Un gruppo multi-istituzionale di scienziati provenienti da diversi laboratori nazionali del Dipartimento dell'Energia e da università degli Stati Uniti e della Germania ha combinato esperimenti e teoria per rivelare in tempo reale le conseguenze che si verificano quando la radiazione ionizzante di una sorgente di raggi X colpisce la materia. Lavorare sulle scale temporali in cui avviene l'azione consentirà al gruppo di ricerca di comprendere più a fondo la complessa chimica indotta dalle radiazioni. Infatti, questi ricercatori si sono riuniti inizialmente per sviluppare gli strumenti necessari a comprendere l'effetto dell'esposizione prolungata alle radiazioni ionizzanti sulle sostanze chimiche presenti nelle scorie nucleari.

L'indagine attuale si basa sulla nuova scienza della fisica degli attosecondi (la frazione di tempo più piccola mai registrata), riconosciuta con il Premio Nobel per la Fisica 2023. Gli impulsi di raggi X ad attosecondi sono disponibili solo in poche strutture specializzate in tutto il mondo. La squadra di ricerca ha condotto il proprio lavoro sperimentale presso il Linac Coherent Light Source, situato presso lo Slac National Accelerator Laboratory, a Menlo Park, in California, dove il gruppo di ricerca locale è stato pioniere nello sviluppo di laser a elettroni liberi a raggi X all'attosecondo. "Gli esperimenti risolti in tempo di attosecondi sono uno dei fiori all'occhiello della ricerca e sviluppo della Linac Coherent Light Source", ha dichiarato Ago Marinelli, dello Slac National Accelerator Laboratory, che, insieme a James Cryan, ha guidato lo sviluppo della coppia sincronizzata di impulsi della sonda a raggi X utilizzata nell'esperimento.

I risultati appena riportati risolvono un dibattito scientifico di lunga data sul fatto che i segnali a raggi X osservati in esperimenti precedenti siano il risultato di forme strutturali diverse, o "motivi", dell'acqua o della dinamica degli atomi di idrogeno. Questi esperimenti dimostrano in modo conclusivo che tali segnali non sono la prova di due motivi strutturali nell'acqua liquida ambientale. "In pratica, quello che si vedeva negli esperimenti precedenti era la sfocatura causata dal movimento degli atomi di idrogeno - ha osservato Young - siamo riusciti a eliminare il movimento effettuando tutte le registrazioni prima che gli atomi avessero il tempo di muoversi". I ricercatori ritengono che lo studio attuale sia l'inizio di una nuova direzione per la scienza degli attosecondi. "La metodologia che abbiamo sviluppato permette di studiare l'origine e l'evoluzione delle specie reattive prodotte da processi indotti dalle radiazioni, come quelli che si verificano nei viaggi spaziali, nei trattamenti contro il cancro, nei reattori nucleari e nei rifiuti ereditati", ha concluso Young.