In den Laboren des Pacific Northwest National Laboratory und des Beschleunigerzentrums SLAC haben Wissenschaftler erstmals molekulare Bilder davon erhalten, wie sich Wasser um ein Molekül während einer Schlüsselreaktion umstrukturiert. Licht löst einen gleichzeitigen Transfer von Elektron und Proton aus, und das umgebende Wasser ändert sofort seine Struktur, um diesen Prozess zu unterstützen.
Die Reaktion, bekannt als protonengekoppelter Elektronentransfer, liegt der Photosynthese, der Funktionsweise von Brennstoffzellen und vielen katalytischen Prozessen zugrunde. Das Molekül absorbiert ein Photon, das Elektron wird umverteilt, und das Proton bindet an eine bestimmte Stelle. Bisher konnte niemand all diese Veränderungen gleichzeitig mit atomarer Präzision beobachten.
Die Forscher verwendeten eine Kombination von Röntgenmethoden: Absorptionsspektroskopie zur Verfolgung der Elektronenbewegung und Röntgenstreuung zur Erfassung der Umstrukturierung der Wassermoleküle. Die Experimente wurden an der Linac Coherent Light Source in SLAC durchgeführt, wo ultrakurze Pulse es ermöglichten, Ereignisse auf der Pikosekundenskala einzufrieren.
Als Modell wurde ein Rutheniumkomplex gewählt, der die Signale nicht durch zusätzliche Umstrukturierungen verkompliziert. Theoretische Berechnungen und Molekulardynamik-Simulationen halfen, die erhaltenen Daten zu entschlüsseln und lokale Veränderungen der elektronischen Struktur mit der globalen Umstrukturierung des Wassernetzwerks zu verknüpfen.
Die Ergebnisse eröffnen den Weg zu effizienteren Katalysatoren, Flussbatterien und Geräten zur Energieumwandlung. Das Verständnis, wie die Lösungsmittelumgebung den Ladungstransfer beeinflusst, wird es Ingenieuren ermöglichen, diese Prozesse in realen Systemen besser zu steuern.
Die Wissenschaftler merken an, dass die direkte Beobachtung des Protons noch nicht möglich ist, aber die Übereinstimmung von Experiment und Berechnungen liefert ein verlässliches Bild. Die neue Methode ist bereits bereit für die Anwendung auf komplexere biologische und technologische Reaktionen.
Diese Beobachtung zeigt, wie eng das Molekül und seine wässrige Umgebung als Einheit zusammenwirken, und eröffnet neue Horizonte für die Untersuchung fundamentaler chemischer Umwandlungen.
