Учёные впервые получили структурно чувствительные снимки сверхбыстрой реакции, в которой перемещение протона связано с переносом электрона. Исследование провела команда Национальной лаборатории Тихоокеанского Северо-Запада (PNNL) Министерства энергетики США совместно со специалистами Национальной ускорительной лаборатории SLAC и нескольких университетов. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications, сообщает ScienceDaily.
В центре эксперимента находилась реакция светозависимого переноса протона и электрона, известная как PCET. Подобные процессы участвуют в фотосинтезе, преобразовании энергии в живых организмах и работе катализаторов. Их особенность заключается в согласованном движении положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов, благодаря чему молекулы могут обходить промежуточные стадии и тратить меньше энергии.
Исследователи изучали молекулу на основе рутения, которая поглощает свет и в кислой среде захватывает протон из окружающего раствора. Такой объект выбрали потому, что в нём не происходят дополнительные электронные и структурные перестройки, способные усложнить интерпретацию рентгеновских сигналов. Это позволило отдельно рассмотреть изменения, связанные с электроном, протоном и движением растворителя.
Для наблюдения за реакцией команда объединила сверхбыструю рентгеновскую спектроскопию поглощения и рентгеновское рассеяние на установках Linac Coherent Light Source в SLAC. Первый метод показал, как электроны перемещаются между участками молекулы, а второй помог проследить перестройку атомов и окружающих молекул воды. Теоретики PNNL Нираджан Говинд и Амити Андерсен дополнили измерения расчётами с использованием теории функционала плотности, зависящей от времени, и моделирования молекулярной динамики.
«Мы впервые увидели, как электронные изменения, связанные с переносом протона, согласуются с перестройкой окружающего растворителя. Это даёт новый способ понять, как молекулы и их окружение меняются одновременно во время фундаментальных химических превращений», — сказала физик-химик PNNL Элиса Бьязин. По её словам, пока остаются вопросы о том, перемещаются ли протон и электрон одновременно, в каком именно участке молекулы это происходит и как водная сеть облегчает переход протона.
Непосредственно обнаружить протон рентгеновскими методами не удалось, поскольку рассеяние сильнее отражает поведение атомов, содержащих много электронов. Однако совпадение экспериментальных данных с расчётами позволило сделать выводы о его перемещении по изменениям электронной структуры и перестройке водного окружения. Разработанный подход может помочь исследовать более сложные реакции PCET и в перспективе использовать полученные знания для создания эффективных катализаторов, топливных элементов и проточных батарей.