Nei laboratori del Pacific Northwest National Laboratory e del centro acceleratore SLAC, gli scienziati hanno ottenuto per la prima volta immagini molecolari di come l'acqua si riorganizza attorno a una molecola durante una reazione chimica chiave. La luce innesca il trasferimento simultaneo di un elettrone e di un protone, e l'acqua circostante cambia istantaneamente la sua struttura per supportare questo processo.
La reazione, nota come trasferimento di elettroni accoppiato a protoni, è alla base della fotosintesi, del funzionamento delle celle a combustibile e di molti processi catalitici. La molecola assorbe un fotone, l'elettrone si ridistribuisce e il protone si lega a un sito specifico. Finora nessuno era riuscito a osservare tutti questi cambiamenti simultaneamente con precisione atomica.
I ricercatori hanno utilizzato una combinazione di tecniche a raggi X: spettroscopia di assorbimento per tracciare il movimento degli elettroni e diffusione dei raggi X per registrare la riorganizzazione degli atomi di acqua. Gli esperimenti sono stati condotti presso la sorgente di luce coerente Linac a SLAC, dove impulsi ultracorti hanno permesso di 'congelare' gli eventi sulla scala dei picosecondi.
Come modello è stato scelto un complesso di rutenio, che non complica i segnali con riorganizzazioni superflue. Calcoli teorici e simulazioni di dinamica molecolare hanno aiutato a decifrare i dati ottenuti e a collegare i cambiamenti locali della struttura elettronica con la riorganizzazione globale della rete idrica.
I risultati aprono la strada alla creazione di catalizzatori più efficienti, batterie a flusso e dispositivi per la conversione dell'energia. Comprendere come il solvente influenzi il trasferimento di carica consentirà agli ingegneri di gestire meglio questi processi in sistemi reali.
Gli scienziati notano che l'osservazione diretta del protone non è ancora disponibile, ma l'accordo tra esperimento e calcoli fornisce un quadro affidabile. La nuova metodologia è già pronta per essere applicata a reazioni biologiche e tecnologiche più complesse.
Questa osservazione mostra quanto strettamente la molecola e il suo ambiente acquoso agiscano come un tutto unico e apre nuovi orizzonti per lo studio delle trasformazioni chimiche fondamentali.
