Ученые раскрыли механизм образования опасных медленных электронов в воде

Схематическое изображение межмолекулярного кулоновского распада и переноса протона в жидкой воде. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61912-w

Когда высокоэнергетическое излучение взаимодействует с водой в живых организмах, оно генерирует частицы и медленно движущиеся электроны, которые впоследствии могут повредить критические молекулы, такие как ДНК. Профессор Петр Славичек и его студент-бакалавр Якуб Дубский из Пражского химико-технологического университета детально описали один из ключевых механизмов создания этих медленных электронов в воде — процесс, известный как межмолекулярный кулоновский распад (МКР). Их мощная математическая модель успешно объясняет все данные сложных лазерных экспериментов, проведенных в ETH Zurich командой Ханса-Якоба Вернера.

Работа, углубляющая фундаментальное понимание радиационной химии, была опубликована в журнале Nature Communications.

Детальное знание процессов в водных растворах в сочетании с достижениями в исследовательских технологиях с использованием высокоэнергетического излучения преобразует область радиационной химии. В будущем эти открытия могут привести к значительным изменениям в различных областях, включая медицину, особенно в разработке более чувствительных и контролируемых применений для устройств на основе ионизирующего излучения.

Межмолекулярный кулоновский распад был впервые экспериментально доказан в воде около 15 лет назад, но до недавнего времени все эксперименты проводились на изолированных молекулах или очень маленьких кластерах воды. Новое исследование пражско-цюрихского сотрудничества впервые количественно оценило конкуренцию МКР с переносом протона и неадиабатической релаксацией в жидкой воде и установило изотопную зависимость.

Исследование показывает, что после выбивания внутреннего валентного электрона из молекулы воды излучением процесс МКР не является 100% эффективным. Он соревнуется с другими явлениями, в основном сверхбыстрым переносом протона между соседними молекулами воды и неадиабатической релаксацией. Проводя эксперименты как на обычной (H₂O), так и на тяжелой воде (D₂O), исследователи показали, что МКР более эффективен в тяжелой воде. Этот изотопный эффект подтверждает, что более медленное движение ядер дейтерия дает электронному процессу распада больше времени для протекания, предоставляя четкое доказательство конкуренции.

«Наша модель предсказывает все данные, которые могут измерить приборы в этих сложных экспериментах, — говорит профессор Славичек. — Поэтому мы можем доверять ей и в тех областях, где приборы еще не могут видеть, и объяснять, что происходит в растворе после воздействия высокоэнергетического излучения».

Стохастическая модель основана на данных квантовой механики, которые обычно возможно рассчитать только для ограниченных систем, таких как отдельные молекулы воды или небольшие кластеры. Эти данные в сочетании с экспериментальными результатами были разработаны в вероятностную модель, которая дает полную картину МКР в реалистичной среде.

Примечательно, что автором опубликованной стохастической модели является Якуб Дубский, который недавно завершил обучение на степень бакалавра в Пражском химико-технологическом университете и готовится продолжить обучение в магистратуре Оксфордского университета.

«Это необычно, когда студент бакалавриата выполняет работу на уровне кандидата наук, получая реальный, функциональный продукт, который приносит совершенно новые знания», — добавляет профессор Славичек, хваля вклад своего студента.

Исследование межмолекулярного кулоновского распада особенно важно для понимания механизмов радиационного повреждения биологических тканей, поскольку человеческое тело на 60-70% состоит из воды. Открытие изотопного эффекта может иметь практическое значение для разработки методов радиационной защиты в медицине, особенно в лучевой терапии.