Учёные впервые подробно проследили, как при переносе протона одновременно меняются молекула и окружающая её вода. Исследование посвящено реакции, важной для фотосинтеза, обмена веществ и других процессов преобразования энергии. Результаты работы опубликованы 26 августа 2026 года в журнале Nature Communications, сообщает SciTechDaily.
Эксперимент провели специалисты Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США совместно с сотрудниками Национальной ускорительной лаборатории SLAC и нескольких университетов. Для наблюдения за реакцией использовали два сверхбыстрых рентгеновских метода на установке Linac Coherent Light Source в SLAC. Компьютерное моделирование помогло связать полученные сигналы с изменениями на молекулярном уровне.
Исследователи изучали комплекс на основе рутения, который поглощает свет и в кислой среде принимает протон из окружающего раствора. Такая система позволила отделить изменения, связанные с движением электрона, протона и молекул растворителя, от других возможных перестроек. «Мы впервые зафиксировали, как электронные изменения, связанные с переносом протона, сопряжены с перестройкой окружающего растворителя», — сказала экспериментальный химик-физик Элиза Бязин из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.
Наблюдаемая реакция называется переносом протона, сопряжённым с переносом электрона, или PCET. В её ходе положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон перемещаются согласованно, что помогает избежать энергетически затратных промежуточных стадий и ускоряет химические процессы. Подобные механизмы имеют значение не только для фотосинтеза и метаболизма пищи, но и для катализаторов, топливных элементов и проточных аккумуляторов.
С помощью рентгеновской спектроскопии поглощения учёные определили изменения электронной структуры в отдельных участках молекулы, а рентгеновское рассеяние во времени показало перестройку атомов комплекса и окружающей водной сети. Теоретики Нира́нджан Говинд и Амити Андерсен дополнили эксперимент расчётами: первый применил зависящую от времени теорию функционала плотности, вторая провела моделирование молекулярной динамики. «Сочетание рентгеновской спектроскопии поглощения с точным теоретическим моделированием позволило получить беспрецедентное представление о происходящих в реальном времени электронных изменениях», — отметил первый автор работы Абдулла Кахраман.
Непосредственно увидеть протон исследователям не удалось, поскольку рентгеновское рассеяние лучше фиксирует атомы с большим числом электронов. Его роль определяли по согласованным изменениям электронной структуры и водного окружения, которые совпали с результатами расчётов. Авторы считают, что объединённый метод можно применять к более сложным реакциям PCET, а дальнейшее повышение качества сигналов после модернизации LCLS-II поможет изучать практические задачи в катализе и технологиях получения энергии.