Το λέιζερ ακτίνων Χ αποκαλύπτει πώς προκύπτει η ζημιά ακτινοβολίας

Μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Desy και το Ινστιτούτο Max Planck για τη δομή και τη δυναμική της ύλης (MPSD) στο Κέντρο για την Ελεύθερη Ηλεκτρονική Επιστήμη (CFEL) έχει επιτύχει μια σημαντική ανακάλυψη στην κατανόηση του τρόπου με τον οποίο συμβαίνει η ζημιά ακτινοβολίας. Χρησιμοποιώντας το πιο ισχυρό λέιζερ ελεύθερου ηλεκτρονίου ακτίνων Χ, η ομάδα, που περιλαμβάνει επίσης ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Aarhus και το Πανεπιστήμιο του Αμβούργου, παρατηρήθηκε σε πραγματικό χρόνο πώς η βλάβη ξεκινά σε οργανικό μοριακό κρύσταλλο. Τα αποτελέσματά τους παρέχουν λεπτομερή εικόνα των θεμελιωδών μηχανισμών ζημίας ακτινοβολίας στην ατομική κλίμακα.

Η ζημιά ακτινοβολίας είναι ένα σοβαρό πρόβλημα σε πολλούς τομείς, συμπεριλαμβανομένης της ιατρικής και της επιστήμης των υλικών. Μπορεί να προκαλέσει σημαντική υποβάθμιση στις ιδιότητες των υλικών και μπορεί επίσης να οδηγήσει σε επιβλαβείς παρενέργειες σε ασθενείς που υποβάλλονται σε ακτινοθεραπεία. Παρά τη σημασία της, οι ακριβείς μηχανισμοί ζημιάς ακτινοβολίας δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητοί, ιδιαίτερα για οργανικά υλικά όπως ο βιολογικός ιστός και τα φαρμακευτικά προϊόντα.

Η νέα μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics, παρέχει ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην κατανόηση της ζημιάς ακτινοβολίας. Η ομάδα χρησιμοποίησε τα LCLs ακτίνων Χ ελεύθερου ηλεκτρονίου LCLS στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC στην Καλιφόρνια για να δημιουργήσει έντονες παλμούς ακτίνων Χ που χρησιμοποιήθηκαν για να ακτινοβολούν έναν κρύσταλλο του οργανικού μορίου τετραφαινυλυκλοπεδεδενένης (TPCP). Οι ακτινογραφίες δημιούργησαν βλάβη στο κρύσταλλο πλέγμα και η ομάδα χρησιμοποίησε μια ποικιλία τεχνικών για να μετρήσει τη ζημιά σε πραγματικό χρόνο.

Τα αποτελέσματα της μελέτης δείχνουν ότι η ζημιά ακτινοβολίας ξεκινά μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται "σπάσιμο δεσμών που προκαλείται από ιονισμό". Αυτό συμβαίνει όταν ένα φωτόνιο ακτίνων Χ χτυπά ένα ηλεκτρόνιο από ένα άτομο ή ένα μόριο, δημιουργώντας ένα ασταθές, εξαιρετικά αντιδραστικό είδος που ονομάζεται "ριζοσπαστική". Η ρίζα μπορεί στη συνέχεια να αντιδράσει με άλλα μόρια στον κρύσταλλο, προκαλώντας βλάβη στο κρυσταλλικό πλέγμα.

Η ομάδα παρατήρησε επίσης ότι η ζημιά εντοπίστηκε στην περιοχή του κρυστάλλου που ακτινοβολήθηκε από τις ακτίνες Χ. Αυτό υποδηλώνει ότι η βλάβη της ακτινοβολίας μπορεί να ελαχιστοποιηθεί χρησιμοποιώντας δοκούς ακτίνων Χ υψηλής εστίασης, γεγονός που θα επέτρεπε στους ερευνητές να μελετήσουν υλικά σε ατομικό επίπεδο χωρίς να προκαλούν σημαντικές βλάβες.

Η νέα μελέτη παρέχει μια λεπτομερή κατανόηση του ατομικού επιπέδου για το πώς εμφανίζεται η ζημιά ακτινοβολίας σε οργανικά υλικά. Αυτές οι πληροφορίες είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη νέων στρατηγικών για την πρόληψη ή την ελαχιστοποίηση των ζημιών ακτινοβολίας σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της ιατρικής, της επιστήμης των υλικών και της απεικόνισης ακτίνων Χ.

Εκτός από τους ερευνητές από το DESY, το MPSD, το Πανεπιστήμιο Aarhus και το Πανεπιστήμιο του Αμβούργου, η ομάδα περιλάμβανε επίσης ερευνητές από το UC Berkeley, το Πανεπιστήμιο του Σικάγο και το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine.