Исследователи впервые получили структурно чувствительные снимки светозапускаемой реакции, в которой согласованно перемещаются электроны и протоны. Работа выполнена специалистами Национальной лаборатории Тихоокеанского Северо-Запада Министерства энергетики США совместно с учёными Национальной ускорительной лаборатории SLAC и нескольких университетов. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Учёные изучали перенос электрона, сопряжённый с переносом протона (PCET). Такие процессы участвуют в фотосинтезе, преобразовании энергии в живых организмах и катализе. Их высокая эффективность связана с тем, что согласованное движение частиц позволяет молекулам обходить промежуточные стадии, требующие дополнительных затрат энергии.
В эксперименте использовали хорошо изученную молекулу на основе рутения. Под действием света и в кислой среде она захватывает протон из окружающего раствора, что делает последовательность изменений удобной для анализа. По словам соисследователя Кристофера Ларсена из Университета Окленда в Новой Зеландии, выбранный комплекс не претерпевает дополнительных электронных и структурных перестроек, способных усложнить интерпретацию рентгеновских сигналов.
Для наблюдения за реакцией команда объединила сверхбыструю рентгеновскую спектроскопию поглощения и рентгеновское рассеяние на установках chemRIXS и XCS источника Linac Coherent Light Source лаборатории SLAC. Первая методика позволила проследить перемещение электронов между участками молекулы, а вторая — изменения положения атомов и перестройку окружающих молекул воды. Теоретики Нира́нджан Говинд и Амити Андерсен дополнили измерения расчётами теории функционала плотности, зависящей от времени, и моделированием молекулярной динамики.
«Мы впервые зафиксировали, как электронные изменения, связанные с переносом протона, сопрягаются с перестройкой окружающего растворителя. Это даёт новый способ понять, как молекулы и их окружение совместно меняются во время фундаментальных химических превращений», — сказала экспериментальный химик PNNL Элиса Бьясин. Исследователи установили, что локальная перестройка электронной структуры происходит одновременно с более масштабной реорганизацией водной сети.
Сам протон рентгеновскими методами напрямую увидеть не удалось, поскольку рассеяние сильнее отражает присутствие атомов, богатых электронами. Однако согласованность экспериментальных данных с расчётами позволила сделать выводы о его перемещении. Авторы считают, что разработанный подход можно применять к более сложным реакциям PCET, а полученные сведения в перспективе помогут создавать эффективные катализаторы, топливные элементы и проточные батареи для преобразования и хранения энергии.