In de laboratoria van het Pacific Northwest National Laboratory en het versnellercentrum SLAC hebben wetenschappers voor het eerst moleculaire beelden verkregen van hoe water zich herstructureert rond een molecuul tijdens een cruciale chemische reactie. Licht initieert een gelijktijdige overdracht van een elektron en een proton, en het omringende water verandert onmiddellijk van structuur om dit proces te ondersteunen.
De reactie, bekend als proton-gekoppelde elektronenoverdracht, ligt ten grondslag aan fotosynthese, de werking van brandstofcellen en veel katalytische processen. Het molecuul absorbeert een foton, het elektron wordt herverdeeld en het proton hecht zich aan een specifieke plaats. Tot nu toe kon niemand al deze veranderingen gelijktijdig met atomaire precisie waarnemen.
De onderzoekers gebruikten een combinatie van röntgentechnieken: absorptiespectroscopie om de beweging van elektronen te volgen en röntgenverstrooiing om de herstructurering van watermoleculen te registreren. De experimenten werden uitgevoerd bij de Linac Coherent Light Source in SLAC, waar ultrakorte pulsen het mogelijk maakten om gebeurtenissen op picosecondenschaal te 'bevriezen'.
Als model werd een rutheniumcomplex gekozen dat de signalen niet compliceert met overbodige herstructureringen. Theoretische berekeningen en moleculaire dynamica-simulaties hielpen om de verkregen gegevens te ontcijferen en lokale veranderingen in de elektronische structuur te koppelen aan de wereldwijde herstructurering van het waterstofbruggennetwerk.
De resultaten openen de weg naar efficiëntere katalysatoren, flowbatterijen en apparaten voor energieconversie. Inzicht in hoe de oplosmiddelomgeving de ladingsoverdracht beïnvloedt, stelt ingenieurs in staat om deze processen beter te beheersen in reële systemen.
De wetenschappers merken op dat directe waarneming van het proton nog niet mogelijk is, maar de overeenstemming tussen experiment en berekeningen geeft een betrouwbaar beeld. De nieuwe methode is al klaar voor toepassing op complexere biologische en technologische reacties.
Deze waarneming laat zien hoe nauw het molecuul en zijn waterige omgeving als één geheel functioneren en opent nieuwe horizonten voor de studie van fundamentele chemische transformaties.
