Trong các phòng thí nghiệm của Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương và trung tâm máy gia tốc SLAC, các nhà khoa học lần đầu tiên thu được hình ảnh phân tử về cách nước tái cấu trúc xung quanh phân tử trong một phản ứng hóa học quan trọng. Ánh sáng kích hoạt sự chuyển đồng thời electron và proton, và nước xung quanh ngay lập tức thay đổi cấu trúc của nó để hỗ trợ quá trình này.
Phản ứng, được gọi là chuyển electron liên kết proton, là nền tảng của quang hợp, hoạt động của pin nhiên liệu và nhiều quá trình xúc tác. Phân tử hấp thụ một photon, electron được phân phối lại, và proton gắn vào một vị trí cụ thể. Cho đến nay, chưa ai có thể quan sát tất cả những thay đổi này cùng lúc với độ chính xác nguyên tử.
Các nhà nghiên cứu đã áp dụng kết hợp các phương pháp tia X: quang phổ hấp thụ để theo dõi chuyển động của electron và tán xạ tia X để ghi lại sự sắp xếp lại của các nguyên tử nước. Các thí nghiệm được tiến hành tại nguồn ánh sáng kết hợp Linac ở SLAC, nơi các xung cực ngắn cho phép 'đóng băng' các sự kiện ở thang picosecond.
Một phức hợp ruthenium được chọn làm mô hình, không làm phức tạp các tín hiệu bằng các sắp xếp lại không cần thiết. Các tính toán lý thuyết và mô phỏng động lực phân tử đã giúp giải mã dữ liệu thu được và liên kết các thay đổi cục bộ trong cấu trúc điện tử với sự sắp xếp lại toàn cầu của mạng lưới nước.
Kết quả mở ra con đường tạo ra các chất xúc tác hiệu quả hơn, pin dòng chảy và các thiết bị chuyển đổi năng lượng. Hiểu được môi trường dung môi ảnh hưởng đến sự chuyển điện tích như thế nào sẽ cho phép các kỹ sư kiểm soát tốt hơn các quá trình này trong các hệ thống thực tế.
Các nhà khoa học lưu ý rằng việc quan sát trực tiếp proton vẫn chưa khả thi, nhưng sự phù hợp giữa thí nghiệm và tính toán mang lại một bức tranh đáng tin cậy. Phương pháp mới đã sẵn sàng để áp dụng cho các phản ứng sinh học và công nghệ phức tạp hơn.
Quan sát này cho thấy phân tử và môi trường nước của nó hoạt động chặt chẽ như một thể thống nhất, và mở ra những chân trời mới cho việc nghiên cứu các biến đổi hóa học cơ bản.
