En los laboratorios del Pacific Northwest National Laboratory y del centro de aceleradores SLAC, los científicos han obtenido por primera vez imágenes moleculares de cómo el agua se reorganiza alrededor de una molécula durante una reacción química clave. La luz desencadena una transferencia simultánea de electrón y protón, y el agua circundante cambia instantáneamente su estructura para apoyar este proceso.
La reacción, conocida como transferencia de electrón acoplada a protón, es fundamental para la fotosíntesis, el funcionamiento de las celdas de combustible y muchos procesos catalíticos. La molécula absorbe un fotón, el electrón se redistribuye y el protón se une a un sitio específico. Hasta ahora, nadie había podido observar todos estos cambios simultáneamente con precisión atómica.
Los investigadores aplicaron una combinación de técnicas de rayos X: espectroscopía de absorción para rastrear el movimiento de los electrones y dispersión de rayos X para registrar la reorganización de los átomos de agua. Los experimentos se llevaron a cabo en la fuente de luz coherente Linac en SLAC, donde pulsos ultracortos permitieron "congelar" los eventos en la escala de picosegundos.
Como modelo se eligió un complejo de rutenio que no complica las señales con reorganizaciones adicionales. Los cálculos teóricos y las simulaciones de dinámica molecular ayudaron a descifrar los datos obtenidos y a relacionar los cambios locales en la estructura electrónica con la reorganización global de la red de agua.
Los resultados abren el camino hacia la creación de catalizadores más eficientes, baterías de flujo y dispositivos para la conversión de energía. Comprender cómo el entorno del disolvente afecta la transferencia de cargas permitirá a los ingenieros controlar mejor estos procesos en sistemas reales.
Los científicos señalan que la observación directa del protón aún no es posible, pero la concordancia entre el experimento y los cálculos proporciona una imagen fiable. La nueva metodología ya está lista para aplicarse a reacciones biológicas y tecnológicas más complejas.
Esta observación muestra cuán estrechamente la molécula y su entorno acuoso actúan como un todo, y abre nuevos horizontes para el estudio de transformaciones químicas fundamentales.
