Wie Wasser freie Elektronen einfängt

Ionisierende Strahlung schädigt biologische Zellen massiv. Ein Team um DESY-Physiker Professor Robin Santra am CFEL hat nun entschlüsselt, wie freie Elektronen die umgebenden Wassermoleküle beeinflussen. Da Zellen hauptsächlich aus Wasser bestehen, entstehen Strahlenschäden oft über diesen indirekten Weg. „Im Vergleich zum primären Schaden durch die ionisierende Strahlung tragen die sekundären Effekte, die durch die Freisetzung dieser Elektronen in der Zelle entstehen, einen erheblichen Anteil zur gesamten Strahlungswirkung bei“, erklärt Robin Santra.

Die Dynamik der quantenmechanischen Blasenbildung

Dringt energiereiche Strahlung in Zellen ein, werden Elektronen freigesetzt. Die DESY-Simulationen zeigen, dass ein solches freies Elektron im Wasser zunächst eine großflächige Störung auslöst. Gemäß den Gesetzen der Quantenmechanik ist das Elektron anfangs nicht an einem festen Ort lokalisiert. „Das Elektron ist besonders delokalisiert – es bewegt sich frei durch das Wasser, und mit der Zeit wird es durch Wechselwirkungen mit den Wassermolekülen mehr und mehr auf einen begrenzten Raum eingeschränkt“, sagt Ludger Inhester. Schließlich isolieren fünf bis sechs Wassermoleküle das Teilchen. Diese winzige Blase bleibt danach für längere Zeit stabil. Das Elektron besetzt darin bevorzugt einen Hohlraum.

Der Einfluss des Startzustands auf die Reaktion

Der Prozess der Blasenbildung verläuft nicht immer gleich. Entscheidend ist die Art, wie das Elektron ins System gelangt. „Wir beobachten, dass die Geschwindigkeit, mit der sich diese Elektronenblase bildet, deutlich zunimmt, wenn die ursprüngliche Ausdehnung des Überschusselektrons kleiner ist“, erklärt Nathaniel Okpara. Durch die räumliche Eingrenzung im Wasserkäfig konzentrieren sich die Kräfte auf wenige Moleküle. Die lokale Wechselwirkung wird dadurch extrem stark. Dies beeinflusst chemische Reaktionen mit Biomolekülen wie DNA oder Proteinen in unmittelbarer Nähe.

Ausblick auf zukünftige Forschungsprojekte

Künftig möchte das Team diese quantenmechanischen Effekte unter realistischeren Bedingungen untersuchen. Geplant sind Simulationen mit gelösten Ionen und anderen chemischen Verbindungen im Wasser.

Die Arbeit entstand im Hamburger Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“. Sie ist zudem Teil des zukünftigen „Centre for Molecular Water Science“ auf dem DESY-Campus.

Quelle

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY (07/2026)