First-principles simulation of an ejected electron produced by monochromatic deposition energy to water at the femtosecond order

フェムト秒オーダーにおける水への単色付与エネルギーにより生成される放出電子の第一原理シミュレーション

甲斐 健師   ; 樋川 智洋   ; 松谷 悠佑  ; 平田 悠歩   ; 手塚 智哉*; 土田 秀次*; 横谷 明徳*

Kai, Takeshi; Toigawa, Tomohiro; Matsuya, Yusuke; Hirata, Yuho; Tezuka, Tomoya*; Tsuchida, Hidetsugu*; Yokoya, Akinari*

水の光分解・放射線分解の科学的知見は、生命科学などに幅広く利用されるが、水へのエネルギー付与の結果生じる水和電子の空間分布(スパー)の形成メカニズムは未だ良く分かっていない。スパー内に生じる水和電子、OHラジカル及びHOの化学反応時間は、このスパー半径に強く依存する。我々は先行研究において、特定の付与エネルギー(12.4eV)におけるスパー形成メカニズムを第一原理計算により解明した。本研究では付与エネルギーが11-19eVにおけるスパー半径を第一原理計算した。本計算のスパー半径は3-10nmであり、付与エネルギーが8-12.4eVにおける実験予測値(~4nm)と一致し、付与エネルギーの増加に伴いその半径は徐々に拡大することがわかった。本研究で得られたスパー半径は新たな科学的知見であり、放射線DNA損傷の推定などに幅広く活用されることが期待できる。

Although scientific knowledge of photolysis and radiolysis of water is widely used in the life sciences and other fields, the formation mechanism of the spatial distribution of hydrated electrons (spur) resulting from energy deposition to water is still not well understood. The chemical reaction times of hydrated electrons, OH radicals, and HO in the spur strongly depend on the spur radius. In our previous study, we elucidated the mechanism at a specific given energy (12.4 eV) by first-principles calculations. In the present study, we performed first-principles calculations of the spur radius at the deposition energies of 11-19 eV. The calculated spur radius is 3-10 nm, which is consistent with the experimental prediction (~4 nm) for the energy range of 8-12.4 eV, and the spur radius gradually increases with increasing energy. The spur radius is a new scientific knowledge and is expected to be widely used for estimating radiation DNA damage.