太平洋北西部国立研究所と加速器センターSLACの実験室で、科学者たちは初めて、重要な化学反応中に水が分子の周りでどのように再構築されるかの分子画像を取得した。光が電子とプロトンの同時移動を引き起こし、周囲の水がこのプロセスを支えるために即座に構造を変える。
プロトン共役電子移動として知られるこの反応は、光合成、燃料電池の動作、多くの触媒プロセスの基礎となっている。分子が光子を吸収し、電子が再分布し、プロトンが特定の部位に結合する。これまで誰もこれらの変化をすべて原子精度で同時に観察することはできなかった。
研究者らはX線法の組み合わせを適用した：電子の動きを追跡するための吸収分光法と、水分子の再配列を記録するためのX線散乱である。実験はSLACのLinacコヒーレント光源で行われ、超短パルスによりピコ秒スケールの事象を「凍結」することが可能となった。
モデルとして、余分な再配列でシグナルを複雑にしないルテニウム錯体が選ばれた。理論計算と分子動力学シミュレーションは、得られたデータを解読し、電子構造の局所的な変化を水ネットワークの全体的な再構築と関連付けるのに役立った。
この結果は、より効率的な触媒、フロー電池、エネルギー変換デバイスの開発への道を開く。溶媒環境が電荷移動にどのように影響するかを理解することで、エンジニアは実際のシステムでこれらのプロセスをよりうまく制御できるようになる。
科学者らは、プロトンの直接観察はまだ不可能だが、実験と計算の一致により信頼できる全体像が得られると指摘している。新しい手法は、より複雑な生物学的および技術的反応への応用にすでに準備ができている。
この観察は、分子とその水環境がどれほど密接に一体として作用するかを示しており、基礎的な化学変換の研究に新たな地平を開くものである。
