У лабораторіях Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії та прискорювального центру SLAC вчені вперше отримали молекулярні зображення того, як вода перебудовується навколо молекули під час ключової хімічної реакції. Світло запускає одночасне перенесення електрона та протона, а навколишня вода миттєво змінює свою структуру, щоб підтримати цей процес.
Реакція, відома як протон-зв'язане перенесення електрона, лежить в основі фотосинтезу, роботи паливних елементів та багатьох каталітичних процесів. Молекула поглинає фотон, електрон перерозподіляється, а протон приєднується до певної ділянки. Досі ніхто не міг спостерігати всі ці зміни одночасно з атомарною точністю.
Дослідники застосували комбінацію рентгенівських методів: спектроскопію поглинання для відстеження руху електронів та розсіювання рентгенівських променів для реєстрації перебудови атомів води. Експерименти проводили на джерелі когерентного світла Linac у SLAC, де надкороткі імпульси дозволили «заморозити» події на шкалі пікосекунд.
Як модель обрали рутенієвий комплекс, який не ускладнює сигнали зайвими перебудовами. Теоретичні розрахунки та моделювання молекулярної динаміки допомогли розшифрувати отримані дані та пов'язати локальні зміни електронної структури з глобальною перебудовою водної мережі.
Результати відкривають шлях до створення ефективніших каталізаторів, проточних акумуляторів та пристроїв для перетворення енергії. Розуміння того, як середовище розчинника впливає на перенесення зарядів, дозволить інженерам краще керувати цими процесами в реальних системах.
Вчені зазначають, що пряме спостереження протона поки що недоступне, але узгодження експерименту з розрахунками дає надійну картину. Нова методика вже готова для застосування до складніших біологічних та технологічних реакцій.
Це спостереження показує, наскільки тісно молекула та її водне оточення діють як єдине ціле, і відкриває нові горизонти для вивчення фундаментальних хімічних перетворень.
