1月10日，一项由美国能源部（DOE）阿贡国家实验室，新加坡南洋理工大学（新加坡NTU）的科学家领导的全球合作的最新研究，由德国研究中心DESY在SLAC国家加速器实验室进行了研究，首次见证了液态水电离后的超快质子转移反应。基于该研究的论文“观察水的放射分解中最快的化学过程”发表在今天《科学》在线杂志上。
X射线捕获离子化液态水中的超快质子转移反应，形成羟基自由基（OH）和水合氢离子（H3O +）。
来源：阿贡国家实验室
质子转移反应对包括核工程，太空旅行和环境修复在内的许多领域都具有重要意义。超快的X射线自由电子激光脉冲的可用性使观察成为可能，而其他超快方法基本上是观察不到的。研究最快的化学反应本身很有趣，但是对水的观察也具有重要的实际意义。
了解电离辐射如何与水相互作用（例如在水冷核反应堆和其他含水系统中），需要了解最快的化学反应。由阿贡（Argonne）领导的国际团队对水电离后难以捉摸的超快质子转移过程进行了可视化。
研究人员目睹了离子水中导致羟基自由基产生的最快化学反应，羟基自由基本身具有重要的意义，它可以扩散通过生物体内的生物体，并破坏包括DNA，RNA和蛋白质在内的任何大分子。
通过了解形成化学侵蚀性羟基自由基的时间尺度，从而获得对水辐射分解的更深层次的机械理解，最终有可能开发出抑制该关键步骤的策略，该关键步骤可能导致辐射破坏。
当具有足够能量的辐射撞击水分子时，它会触发一系列实际上是瞬时的反应。首先，辐射发射出电子，在尾流中留下带正电荷的水分子（H 2 O +）。H 2 O + 的寿命极短几乎不可能直接在实验中看到。在不到一万亿分之一秒的时间内，H 2 O + 将质子释放给另一个水分子，从而产生水合氢（H 3 O +）和羟基（OH）自由基。
早在1960年阿贡国家实验室的科学家首次检测到通过放射分解从水中喷出的电子。由于当时没有现在美国能源部科学使用的直线加速器相干光源（LCLS）所提供的那样足够快的X射线探针，科研人员无法观察到残留的带正电的离子。
SLAC仪器科学家Bill Schlotter说：“加入这个高度协作和世界一流的团队，就像看着电离后的水分子在慢动作中跳舞一样令人兴奋。捕捉水中水分的关键是LCLS的超短X射线脉冲。通过调节这些X射线脉冲的'颜色'，我们可以区分参与其中的特定离子和分子。”
LCLS提供的“冻结框架”技术为研究人员提供了第一个观察羟基自由基随时间变化的机会。研究人员希望能够分离出H 2 O + 自由基阳离子的光谱特征，但它寿命非常短，所以只能从OH光谱测量中推断出其存在。
产生羟基自由基的超快质子转移产生了特殊的光谱学特征，这一特征表明羟基自由基的出现，并且是初始生成H 2 O +的“时间戳” 。这两种物种的光谱都是可访问的，因为它们存在于液态水不吸收光的“水窗”中。
科研人员开发了可以观察水中的基本质子转移反应的新方法，利用干净的羟基自由基探针，在超快的时间里追踪复杂系统中的羟基自由基。
在包含盐或其他矿物质的水性环境中，特别是了解羟基自由基的形成可能会与电离水或其副产物发生反应。这样的环境可能包括核废料储存库或其他需要环境修复的地方。
NTU实验使用用于基础化学的台式激光设备进行，这导致了与Argonne和DESY的合作。来源：NTU新加坡
实验背后理论的发展是由德国DESY自由电子激光科学中心的Robin Santra领导的。Santra表明，通过超快的X射线吸收，科学家可以在电离和质子转移位置附近检测结构动力学（包括电子运动和核运动）。
在短短的50万亿分之一秒内，周围的水分子从字面上移入了H 2 O +离子中， 直到其中一个分子足够接近以握手方式抓住其质子之一，变成水合氢3 O + ，留下羟基OH。可以证明X射线数据实际上包含了使质子转移的水分子动力学的信息。