В лабораториях Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и ускорительного центра SLAC ученые впервые получили молекулярные изображения того, как вода перестраивается вокруг молекулы во время ключевой химической реакции. Свет запускает одновременный перенос электрона и протона, а окружающая вода мгновенно меняет свою структуру, чтобы поддержать этот процесс.
Реакция, известная как протон-связанный перенос электрона, лежит в основе фотосинтеза, работы топливных элементов и многих каталитических процессов. Молекула поглощает фотон, электрон перераспределяется, а протон присоединяется к определенному участку. До сих пор никто не мог наблюдать все эти изменения одновременно с атомарной точностью.
Исследователи применили комбинацию рентгеновских методов: спектроскопию поглощения для отслеживания движения электронов и рассеяние рентгеновских лучей для регистрации перестройки атомов воды. Эксперименты проводили на источнике когерентного света Linac в SLAC, где сверхкороткие импульсы позволили «заморозить» события на шкале пикосекунд.
В качестве модели выбрали рутениевый комплекс, который не усложняет сигналы лишними перестройками. Теоретические расчеты и моделирование молекулярной динамики помогли расшифровать полученные данные и связать локальные изменения электронной структуры с глобальной перестройкой водной сети.
Результаты открывают путь к созданию более эффективных катализаторов, аккумуляторов потока и устройств для преобразования энергии. Понимание, как среда растворителя влияет на перенос зарядов, позволит инженерам лучше управлять этими процессами в реальных системах.
Ученые отмечают, что прямое наблюдение протона пока недоступно, но согласование эксперимента с расчетами дает надежную картину. Новая методика уже готова для применения к более сложным биологическим и технологическим реакциям.
Это наблюдение показывает, насколько тесно молекула и ее водное окружение действуют как единое целое, и открывает новые горизонты для изучения фундаментальных химических превращений.
