Ultraschnelle Geburt freier Radikale in Wasser

Mit Hilfe extrem kurzer Röntgen­blitze hat ein inter­nationales Forscher­team erstmals Details der ultra­schnellen Entstehung aggressiver Radikale bei der Bestrahlung von Wasser beobachtet. Die Unter­suchung gibt bislang unerreichte Einblicke in die schnellste chemische Reaktion in diesem Prozess, der zu Strahlen­schäden im Körper führen kann, aber auch auf anderen Feldern wie beispiels­weise Material­wissen­schaften von erheb­licher Bedeutung ist. Die Studie hat die Radiolyse von Wasser unter­sucht. „Unser Körper besteht im Wesent­lichen aus Wasser“, erläutert Robin Santra vom DESY. „Wir alle sind im Alltag ioni­sie­render Strahlung ausge­setzt – ob durch Röntgen­aufnahmen, natür­liche Radio­aktivität oder beispiels­weise kosmische Strahlung auf Flug­reisen. Daher ist das, was hier passiert, von grund­legender Bedeutung.“

Bei der Radiolyse von Wasser schlägt zunächst energie­reiche Strahlung ein Elektron aus einem Wasser­molekül, es wird dadurch ionisiert. In der Folge kommt es zu einem Protonen­transfer, bei dem das ionisierte Wasser­molekül ein Proton an ein benach­bartes Molekül abgibt. Dadurch entstehen ein extrem reaktions­freudiges Hydroxyl-Radikal, das Schäden im Organismus anrichten kann, sowie ein Hydronium-Ion. Der Prozess selbst ist seit langem bekannt, wie er aber genau abläuft, war bislang nicht im Detail beobachtet worden – unter anderem, weil er extrem schnell ist.

„Wir haben die allerschnellste chemische Reaktion in ionisiertem Wasser beobachtet, die zur Geburt des Hydroxyl-Radikals führt“, erklärt Linda Young vom Argonne National Laboratory in den USA. „Das Hydroxyl-Radikal selbst ist von wesent­licher Bedeutung, da es sich in einem Organismus, ein­schließ­lich unserer Körper, ausbreiten und nahezu jedes Makro­molekül wie DNA, RNA und Proteine beschädigen kann.“ Ein tieferes Verständnis der Radiolyse könnte möglicher­weise helfen, Strategien zu entwickeln, um die Entstehung des Hydroxyl-Radikals zu unter­drücken.

Für die Untersuchung hatten die Wissen­schaftler Wasser per Laser ionisiert und anschließend mit dem Röntgen­laser LCLS des US-Forschungs­zentrums SLAC in Kalifornien extrem kurze Schnapp­schüsse der dadurch ausge­lösten Prozesse aufge­nommen. Der Röntgen­laser ermöglicht ultra­kurze Belichtungs­zeiten von nur rund 30 Femto­sekunden. Die detail­lierte Analyse der Mess­daten bestätigt die theore­tische Modellie­rung des Proton­transfers, die Santra geleitet hat. „Wir konnten zeigen, dass die Röntgen­daten tatsäch­lich Informa­tionen über die Dynamik der Wasser­moleküle enthalten, die den Protonen­transfer ermöglicht“, so der Theoretiker. „In knapp fünfzig Billiardstel Sekunden rücken die umgebenden Wasser­moleküle auf das ionisierte Molekül zu und drehen ihm ihre reaktions­freudigste Seite zu, bis eines von ihnen nah genug ist, um sich in einer Art Hand­schlag eines der Protonen zu greifen, wodurch es zu Hydronium wird und ein Hydroxyl-Radikal zurück­lässt.“ Den Beobach­tungen zufolge läuft dieser Protonen­transfer typischer­weise in nur 46 Billiardstel Sekunden ab.

Damit ist den Forschern ein erster entscheidender Schritt zur Aufklärung der extrem schnellen Dynamik der Radiolyse von Wasser gelungen. „Unsere Arbeit zeigt, dass die schnellste chemische Reaktion in ioni­siertem Wasser auf der Zeit­skala von fünfzig Femto­sekunden abläuft“, fasst Zhi-Heng Loh von der TU Nanyang in Singapur zusammen. „Während fünfzig Femto­sekunden nach den meisten Maßstäben schon kurz sind, existieren inner­halb dieser fünfzig Femto­sekunden noch viele physika­lische Prozesse, die noch nicht auf­ge­löst werden konnten. Das Ziel ist letzt­lich, das kompli­zierte Netz­werk der physiko-chemischen Prozesse zu enthüllen, die in ioni­siertem Wasser statt­finden, ange­fangen von dem Moment, in dem ioni­sie­rende Strahlung auf das Wasser trifft, bis zur Geburt des hoch­reaktiven OH-Radikals.“

DESY / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Z.-H. Loh et al.: Observation of the fastest chemical processes in the radiolysis of water, Science 367, 179 (2020); DOI: 10.1126/science.aaz4740
• CFEL-DESY Theory Division (R. Santra), Deutsches Elektronen-Synchrotron, Hamburg
• Argonne National Laboratory, Lemont, USA
• School of Physical and Mathematical Sciences, Division of Chemistry and Biological Chemistry, Nanyang Technological University, Singapur