Forskning: Radikal molekyl genomskådad

2020-06-30

Uppsalaforskare har i ett internationellt samarbete med hjälp av frielektronlasern Linac Coherent Light Source (LCLS) i Stanford lyckats mäta elektronövergångar i så kallade OH-radikaler.

OH-radikalen bildas i vatten av joniserande strålning och har en livslängd på knappt en miljondels miljondels sekund. Det är en mycket reaktiv syreradikal som förstör allt som kommer i dess väg. Ibland är detta en fördel, till exempel när den bryter ner föroreningar i atmosfären, eller farliga ämnen i avloppsvatten. Men den kan framförallt orsaka problem, såsom korrosion i material och är skadlig för viktiga biologiska molekyler.

- Att förstå OH-radikalen och dess påverkan på omgivningen är viktigt, eftersom den spelar en stor roll i många kemiska processer, säger Jan-Erik Rubensson, professor vid institutionen för fysik och astronomi och en av de båda forskarna bakom studien från Uppsala universitet.

Studien har genomförts med hjälp av röntgenspektroskopi med frielektronlasern Linac Coherent Light Source (LCLS) vid Stanford University i USA, som är världens mest avancerade röntgenkälla. Forskarna har mätt så kallad resonant inelastisk röntgenspridning och genom mätningarna fått fram ett röntgenspektrum som visar hur elektronerna rör sig och därmed kunnat bestämma molekylens egenskaper och växelverkan med omgivningen.

Att studera hur OH-radikaler växelverkar med vatten och de elektronövergångar som äger rum är en utmaning, framförallt på grund av dess korta livslängd. Röntgenspektroskopi är en av få metoder som kan användas för att studera de processer där OH-radikalen skapas och växelverkar innan den övergår i en ny kemisk reaktion. Och studierna kräver också korta intensiva röntgenpulser som bara kan skapas med hjälp av frielektronlaseranläggningar.

- Röntgenspektroskopi ger oss en bild av hur OH-radikalen växelverkar med sin omgivning. Det har inte gått att se med andra metoder, säger Ludvig Kjellsson, som är doktorand vid institutionen för fysik och astronomi och artikelns försteförfattare.

Och det är tack vare Uppsala universitets framstående forskning inom röntgenspektroskopiområdet som de har kunnat utveckla ett samarbete med världsledande forskargrupper från USA, Tyskland, Singapore och Danmark för experimentet som utförts vid LCLS-anläggningen. 

De experiment som genomförts är ett första steg på vägen för att kartlägga mekanismerna bakom OH-radikalens destruktivitet. Forskarna planerar redan för nya mätningar vid den uppgraderade LCLS-II som väntas kunna användas inom en snar framtid. I de nya mätningarna vid LCLS-II planerar forskarna att göra experiment som kan ge en tydligare bild av hur OH-radikalen påverkas av vatten och också hur den själv påverkar vattnet och andra molekyler i dess omgivning.

Artikelreferens

L. Kjellsson et al, Resonant Inelastic X-Ray Scattering Reveals Hidden Local Transitions of the Aqueous OH Radical, Phys. Rev. Lett. 124, 236001 (2020). Publication Date: June 12, 2020, DOI: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.236001

Camilla Thulin