W laboratoriach Północno-Zachodniego Narodowego Laboratorium Pacyfiku i centrum akceleratorowego SLAC naukowcy po raz pierwszy uzyskali molekularne obrazy tego, jak woda przegrupowuje się wokół cząsteczki podczas kluczowej reakcji chemicznej. Światło wyzwala jednoczesne przenoszenie elektronu i protonu, a otaczająca woda natychmiast zmienia swoją strukturę, aby wesprzeć ten proces.
Reakcja znana jako przenoszenie elektronu sprzężone z protonem leży u podstaw fotosyntezy, działania ogniw paliwowych i wielu procesów katalitycznych. Cząsteczka pochłania foton, elektron ulega redystrybucji, a proton przyłącza się do określonego miejsca. Do tej pory nikt nie był w stanie obserwować wszystkich tych zmian jednocześnie z atomową precyzją.
Badacze zastosowali kombinację metod rentgenowskich: spektroskopię absorpcyjną do śledzenia ruchów elektronów oraz rozpraszanie promieni rentgenowskich do rejestracji przegrupowania atomów wody. Eksperymenty przeprowadzono na źródle spójnego światła Linac w SLAC, gdzie ultraszybkie impulsy pozwoliły "zamrozić" zdarzenia w skali pikosekund.
Jako model wybrano kompleks rutenu, który nie komplikuje sygnałów zbędnymi przegrupowaniami. Obliczenia teoretyczne i modelowanie dynamiki molekularnej pomogły zinterpretować uzyskane dane i powiązać lokalne zmiany struktury elektronowej z globalnym przegrupowaniem sieci wodnej.
Wyniki otwierają drogę do tworzenia bardziej wydajnych katalizatorów, akumulatorów przepływowych i urządzeń do konwersji energii. Zrozumienie, jak środowisko rozpuszczalnika wpływa na przenoszenie ładunków, pozwoli inżynierom lepiej zarządzać tymi procesami w rzeczywistych systemach.
Naukowcy zauważają, że bezpośrednia obserwacja protonu jest na razie niedostępna, ale zgodność eksperymentu z obliczeniami daje wiarygodny obraz. Nowa metoda jest już gotowa do zastosowania w bardziej złożonych reakcjach biologicznych i technologicznych.
Ta obserwacja pokazuje, jak ściśle cząsteczka i jej wodne otoczenie działają jako całość, i otwiera nowe horyzonty w badaniu fundamentalnych przemian chemicznych.
