Significant role of secondary electrons in the formation of a multi-body chemical species spur produced by water radiolysis

水の放射線分解による多体化学種スパーの形成における二次電子の重要な役割

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*

放射線DNA損傷の直接・間接効果を推定するには、水の放射線分解に関する科学的知見が不可欠である。水の放射線分解により生じる二次電子は、この二つの効果に関与する。ここでは、第一原理計算コードを用いて、水への20-30eVのエネルギー付与の結果生じた二次電子のフェムト秒ダイナミクスを計算し、ナノサイズの極微小な空間領域に生成される放射線分解化学種の形成メカニズムを解析した。その結果から、水の放射線分解によって生成される化学種は、付与エネルギーが25eVを超えると数ナノメートルの極微小領域で高密度化し始めることを明らかにした。本研究成果は、細胞死のような生物学的影響を引き起こすと考えられているクラスターDNA損傷の形成について重要な科学的知見となる。

Scientific insight of water radiolysis is essential to estimate the direct and indirect effects of radiation DNA damage. Secondary electrons produced by water radiolysis are responsible for both effects. Here, we use a first-principles code to calculate the femtosecond dynamics of secondary electrons produced as a result of 20-30 eV energy deposition to water and analyze the formation mechanism of radiolytic chemical species produced in a nano-size ultra-small space region. From the results, it was clarified that the chemical species produced by water radiolysis begin to densify in the ultra-small region of a few nanometers when the deposition energy exceeds 25 eV. Our results provide important scientific insights into the formation of clustered DNA damage, which is believed to cause biological effects such as cell death.