Di laboratorium Pacific Northwest National Laboratory dan pusat akselerator SLAC, para ilmuwan untuk pertama kalinya memperoleh gambar molekuler tentang bagaimana air menata ulang dirinya di sekitar molekul selama reaksi kimia kunci. Cahaya memicu transfer elektron dan proton secara bersamaan, dan air di sekitarnya seketika mengubah strukturnya untuk mendukung proses ini.
Reaksi yang dikenal sebagai transfer elektron yang terikat proton ini mendasari fotosintesis, kerja sel bahan bakar, dan banyak proses katalitik. Molekul menyerap foton, elektron terdistribusi ulang, dan proton bergabung ke situs tertentu. Sampai sekarang, tidak ada yang dapat mengamati semua perubahan ini secara bersamaan dengan presisi atom.
Para peneliti menggunakan kombinasi metode sinar-X: spektroskopi serapan untuk melacak pergerakan elektron dan hamburan sinar-X untuk merekam penataan ulang atom air. Eksperimen dilakukan di sumber cahaya koheren Linac di SLAC, di mana pulsa ultra-pendek memungkinkan untuk 'membekukan' peristiwa pada skala pikodetik.
Sebagai model, dipilih kompleks rutenium yang tidak memperumit sinyal dengan penataan ulang yang berlebihan. Perhitungan teoretis dan pemodelan dinamika molekuler membantu menguraikan data yang diperoleh dan menghubungkan perubahan lokal dalam struktur elektronik dengan penataan ulang global jaringan air.
Hasil ini membuka jalan untuk menciptakan katalis yang lebih efisien, baterai aliran, dan perangkat konversi energi. Memahami bagaimana lingkungan pelarut mempengaruhi transfer muatan akan memungkinkan para insinyur untuk lebih mengelola proses-proses ini dalam sistem nyata.
Para ilmuwan mencatat bahwa pengamatan langsung proton belum tersedia, tetapi kesesuaian eksperimen dengan perhitungan memberikan gambaran yang andal. Metode baru ini siap untuk diterapkan pada reaksi biologis dan teknologi yang lebih kompleks.
Pengamatan ini menunjukkan betapa eratnya molekul dan lingkungan airnya bertindak sebagai satu kesatuan, dan membuka cakrawala baru untuk mempelajari transformasi kimia fundamental.
