Forskere ser molekyler i en lysudløst katalysatorring som et ensemble af klokker

Fotokatalysatorer - materialer, der udløser kemiske reaktioner, når de rammes af lys - er vigtige i en række naturlige og industrielle processer, fra at producere brint til brændstof til at muliggøre fotosyntese.

Nu har et internationalt team brugt en røntgenlaser ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory for at få et utroligt detaljeret kig på, hvad der sker med strukturen af ​​en model fotokatalysator, når den absorberer lys.

Forskerne brugte ekstremt hurtige laserpulser til at se strukturen ændre sig og se molekylerne vibrere, ringer "som et klokkeensemble, "siger hovedforfatter Kristoffer Haldrup, seniorforsker ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU). Denne undersøgelse baner vejen for en dybere undersøgelse af disse processer, som kunne hjælpe med at designe bedre katalysatorer til opdeling af vand i hydrogen og ilt til næste generations energiteknologier.

"Hvis vi kan forstå sådanne processer, så kan vi anvende denne forståelse til at udvikle molekylære systemer, der laver sådanne tricks med meget høj effektivitet, ”Siger Haldrup.

Resultaterne blev offentliggjort i sidste uge i Fysisk gennemgangsbreve .

Molekylært ensemble

Den platinbaserede fotokatalysator, de undersøgte, kaldet PtPOP, er en af ​​en klasse af molekyler, der sakser brintatomer fra forskellige kulbrintemolekyler, når de rammes af lys, Haldrup siger:"Det er et testbed - en legeplads, hvis du vil - for at studere fotokatalyse, som det sker. "

Ved SLACs røntgenlaser, Linac kohærent lyskilde (LCLS), forskerne brugte en optisk laser til at ophidse de platinholdige molekyler og brugte derefter røntgenstråler til at se, hvordan disse molekyler ændrede deres struktur efter at have absorberet de synlige fotoner. De ekstremt korte røntgenlaserpulser gav dem mulighed for at se strukturen ændre sig, Siger Haldrup.

Forskerne brugte et trick til selektivt at "fryse" nogle af molekylerne i deres vibrationsbevægelse, og brugte derefter ultrakorte røntgenpulser til at fange, hvordan hele ensemblet af molekyler udviklede sig i tide efter at være blevet ramt af lys. Ved at tage disse billeder på forskellige tidspunkter kan de sy de enkelte rammer sammen som en stop-motion film. Dette gav dem detaljerede oplysninger om molekyler, der ikke blev ramt af laserlyset, giver indsigt i de ultrahurtige ændringer, der sker i molekylerne, når de har den laveste energi.

Svømning i harmoni

Selv før lyset rammer molekylerne, de vibrerer alle, men er ikke synkroniseret med hinanden. Kelly Gaffney, medforfatter på dette papir og direktør for SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, ligner denne bevægelse med svømmere i en pool, rasende træder vand.

Når den optiske laser rammer dem, nogle af de molekyler, der påvirkes af lyset, begynder at bevæge sig i fællesskab og med større intensitet, skifte fra den diskordente slidbane til synkroniserede slag. Selvom dette fænomen er set før, indtil nu var det svært at kvantificere.

"Denne forskning demonstrerer tydeligt røntgenstråles evne til at kvantificere, hvordan excitation ændrer molekylerne, "Siger Gaffney." Vi kan ikke kun sige, at det er vibrerende, men vi kan også kvantificere det og sige, hvilke atomer der bevæger sig, og hvor meget. "

Forudsigende kemi

For at følge op på denne undersøgelse, forskerne undersøger, hvordan strukturerne i PtPOP -molekyler ændres, når de deltager i kemiske reaktioner. De håber også at kunne bruge de oplysninger, de fik i denne undersøgelse til direkte at studere, hvordan kemiske bindinger dannes og brydes i lignende molekylære systemer.

"Vi får undersøgt selve det grundlæggende i fotokemi, nemlig hvor spændende elektronerne i systemet fører til nogle meget specifikke ændringer i den overordnede molekylære struktur, "siger Tim Brandt van Driel, en medforfatter fra DTU, der nu er videnskabsmand ved LCLS. "Dette giver os mulighed for at studere, hvordan energi lagres og frigives, hvilket er vigtigt for at forstå processer, der også er kernen i fotosyntesen og det visuelle system. "

En bedre forståelse af disse processer kan være nøglen til at designe bedre materialer og systemer med nyttige funktioner.

"En masse kemisk forståelse er rationaliseret efter det faktum. Det er slet ikke forudsigende, "Gaffney siger." Du ser det, og så forklarer du, hvorfor det skete. Vi forsøger at flytte designet af nyttige kemiske materialer til et mere forudsigeligt rum, og det kræver nøjagtig detaljeret viden om, hvad der sker i de materialer, der allerede fungerer. "