2014
Дослідники вперше отримали молекулярні «знімки», які одночасно показують, як змінюється сама молекула і як у відповідь перебудовується вода навколо неї під час світлоіндукованої хімічної реакції. Команда під керівництвом Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії США поєднала надшвидкі рентгенівські методи, розсіювання та комп’ютерне моделювання.
У центрі роботи — так зване протон-спряжене перенесення електрона. У таких процесах негативно заряджений електрон і позитивно заряджений протон переміщуються взаємопов’язано. Цей механізм має фундаментальне значення для фотосинтезу, каталізу та біологічного перетворення енергії.
Скоординований рух електрона і протона дозволяє молекулам обходити енергетично невигідні проміжні стани. Завдяки цьому реакції можуть відбуватися швидше й ефективніше. Водночас дослідникам тривалий час було складно одночасно побачити, що відбувається з електронною структурою молекули, протоном і водним середовищем навколо них.
Експерименти провели з використанням джерела когерентного світла Linac Coherent Light Source у Національній прискорювальній лабораторії SLAC. Команда застосувала комбінацію ультрашвидкої рентгенівської спектроскопії та розсіювання, а результати зіставила з квантово-хімічними розрахунками й моделюванням молекулярної динаміки.
Спостережувану реакцію запускали світлом. Дослідники зафіксували, як молекула після поглинання світла отримує протон, як при цьому змінюється її електронна структура в конкретних ділянках і як перебудовується мережа молекул води, що оточує реагент.
Саме поєднання локальної електронної інформації та структурної чутливості стало ключовою частиною роботи. Раніше ці аспекти процесу досліджували окремо, але не в одному експерименті з необхідною часовою роздільною здатністю. Новий підхід дозволив простежити взаємозв’язок між зміною заряду, приєднанням протона та реакцією розчинника.
Автори зазначають, що в різних реакціях досі точаться дискусії про те, чи рухаються протони й електрони одночасно, у якій послідовності це відбувається та як саме вода допомагає перенесенню протона. Запропонований метод дає можливість досліджувати ці питання безпосередніше.
Окрім фундаментальної хімії, результати можуть бути корисними для розробки систем перетворення та зберігання енергії. Дослідники називають серед потенційних напрямів проточні батареї, паливні елементи та каталізатори, робота яких також залежить від взаємодії молекул із навколишнім розчинником.
