Forskere får indsigt i, hvordan opløsningsmiddelmolekyler påvirker lysdrevne reaktioner

Lysabsorberende molekyler kan omdanne fotoner til elektricitet eller brændstoffer ved at skifte elektroner fra et atom til et andet. I mange tilfælde er molekylerne omgivet af et opløsningsmiddel - vand, i tilfælde af fotosyntese - og undersøgelser har vist, at opløsningsmidlet spiller en vigtig rolle i elektronoverførsel. Men det har været svært at måle opløsningsmiddelmolekylernes bevægelser for at finde ud af, hvordan de påvirker processen.

I en ny undersøgelse, forskere har fanget de hurtige bevægelser af opløsningsmiddelmolekyler, der påvirker lysdreven elektronoverførsel i et molekylært kompleks for første gang-oplysninger, der kan hjælpe forskere med at lære at kontrollere energistrømmen i molekyler, potentielt fører til mere effektive rene energikilder.

"Det er en mangeårig udfordring inden for kemi at forstå, på et mikroskopisk niveau, den afgørende rolle, opløsningsmidler spiller i kemiske reaktioner, "siger Elisa Biasin, en forskningsassistent ved Stanford PULSE Institute ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory. "Indtil for nylig havde vi ikke værktøjer, der var direkte følsomme over for atombevægelse i meget hurtige tidsskalaer til at undersøge dette."

Et forskerhold ledet af Munira Khalil, en kemiprofessor ved University of Washington, med samarbejdspartnere på SLAC og DOE's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) overvandt denne forhindring ved hjælp af en kombination af røntgenteknikker og simuleringer. De offentliggjorde deres resultater i Naturkemi .

Synkroniserede bevægelser

Teamet fokuserede på et molekylært kompleks indeholdende to metalatomer, der kan udveksle en elektron mellem dem. Dette system fungerer som en platform til undersøgelse af elektronoverførselsreaktioner. Først opløste de komplekset i vand, hvor den dannede stærke brintbindinger med omgivende vandmolekyler. De startede elektronoverførselsprocessen mellem metalatomerne ved hjælp af en optisk laserpuls. Derefter spredte de røntgenpulser fra SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) fra prøven for at overvåge atomernes bevægelse i komplekset og de omgivende opløsningsmiddelmolekyler under elektronoverførslen.

De ultrakorte røntgenpulser, bare milliontedele af en milliarddel af et sekund lang, fangede de synkroniserede bevægelser af vandmolekylerne, der var bundet til komplekset. Som en elektron overført fra det ene metalatom til det andet, hydrogenbindinger svækkede, og opløsningsmiddelmolekylerne flyttede væk fra komplekset. Da elektronen vendte tilbage til det første metalatom, opløsningsmiddelmolekylerne oscillerede tilbage til deres oprindelige position.

"Dette er første gang, vi har været i stand til eksperimentelt at fange en bestemt bevægelse af et opløsningsmiddel, der er i denne slags låsetrin med, hvad der sker inde i molekylkomplekset, "Siger Khalil.

Indfangning af dansen

Teamet var i stand til at analysere og fortolke de eksperimentelle resultater ved hjælp af molekylære simuleringer. Fysiker Niri Govind og beregningskemiker Amity Andersen fra PNNL bidrog til disse simuleringer med NWChem, en open source-PNNL-udviklet softwarepakke til computerkemi.

Govind siger, "Kombinationen af ​​eksperiment og molekylær simulering var afgørende for at forstå den koblede dans, der opstår under ultrahurtig elektronoverførsel mellem metalatomerne og de omgivende vandmolekyler."

At følge op på, forskerne håber at udføre forsøg med andre opløsningsmidler for at se, hvordan de påvirker elektronoverførsel.

"Målet, "Biasin siger, "er at lære nok i atomskalaen, at vi kan forudsige og lære at udøve en vis grad af kontrol over elektronoverførsler og andre vigtige kemiske reaktioner."