Dechifrering af en dans af elektroner og vandmolekyler

Et forskningsprojekt ved EPFL har haft held med at afkode elektronernes komplekse dans i vand, et vigtigt skridt i forståelsen af ​​en kritisk proces af mange kemiske fænomener, og det kan være det første skridt til at forbedre energikonverteringsteknologier.

Vand, livets vugge på Jorden, er ikke bare en passiv kulisse, men deltager aktivt i livets kemiske ballet. Centralt i denne dans er elektronernes adfærd, især under en proces kendt som ladningsoverførsel til opløsningsmiddel (CTTS).

CTTS er som en mikroskopisk dans, hvor en elektron fra noget opløst i vand, som salt, springer ud og slutter sig til selve vandet. Processen skaber en nu "hydreret" elektron, som er et nøgleelement i mange vandige reaktioner, som dem, der ligger til grund for selve livet. Derfor er CTTS afgørende for at forstå, hvordan elektroner bevæger sig i løsninger.

I en ny EPFL-undersøgelse offentliggjort i Nature Communications , har forskere Jinggang Lan, Majed Chergui og Alfredo Pasquarello studeret de indviklede vekselvirkninger mellem elektroner og deres opløsningsmiddelmiljøer.

Arbejdet blev udtænkt og primært udført på EPFL, med færdiggørelse af bidrag fra Jinggang Lan efter hans overtagelse af et postdoc-stipendium i Simons Center for Computational Physical Chemistry ved New York University.

Ved at se på CTTS-processen visualiserede forskerne omhyggeligt det dynamiske samspil mellem den undslippende elektron og de polariserende vandmolekyler, der omgiver den, hvilket markerede et betydeligt spring i vores forståelse af sådanne komplekse interaktioner.

Holdet brugte jodid opløst i vand (vandigt iodid), fordi det gør det lettere at forstå, hvordan elektroner bevæger sig til det omgivende vand. Jodid har, ligesom bordsalt, ikke komplekse indre bevægelser, hvilket gør det lettere at studere. Dette gjorde det muligt for forskerne at observere, hvordan iodid hurtigt kan frigive en elektron til det omgivende vand, en proces, der er påvirket af arrangementet af vandmolekyler omkring iodidet.

For at studere CTTS-processen brugte forskerne ab initio molekylær dynamik, en sofistikeret teknik, der simulerer opførsel af molekyler i en computer ved at beregne atomare interaktioner og bevægelser ud fra grundlæggende fysiske principper ved hjælp af kvantemekanik.

"Ab initio" betyder "fra begyndelsen" på latin, hvilket indikerer, at denne metode tager udgangspunkt i grundlæggende fysiske principper, hvilket giver forskere mulighed for præcist at forudsige, hvordan molekyler og materialer udvikler sig over tid uden at stole på empiriske data for interaktionerne mellem partikler.

Ved at kombinere ab initio-tilgangen med sofistikerede maskinlæringsteknikker var forskerne i stand til at visualisere og analysere CTTS-processen i hidtil uset detalje og spore en elektrons rejse fra at være knyttet til en iodidion til at blive solvatiseret - omgivet og stabiliseret af vandmolekyler .

Undersøgelsen afslørede, at CTTS involverer en række forskellige tilstande, hver karakteriseret ved afstanden mellem elektronen og jodkernen:fra at være tæt forbundet med jodatomet (kontaktpartilstand) til at separere i opløsningsmidlet (opløsningsmiddelsepareret tilstand) ), og til sidst bliver fuldstændig solvatiseret som en hydratiseret elektron.

"Fremgangen hviler for det meste på det grundlæggende niveau," siger Pasquarello. "Den beskrevne mekanisme involverer et subtilt samspil mellem elektronisk excitation og ioniske polarisationseffekter, som producerer en sekvens af konfigurationer som afsløret af vores simuleringer."

Men at kaste lys over CTTS kan også have konsekvenser for en lang række applikationer, der involverer ladnings- og energioverførselsreaktioner. At forstå, hvordan elektroner interagerer med deres miljø på et så grundlæggende niveau, kan være nøglen til at udvikle mere effektive solenergikonverteringssystemer, forbedre fotokatalyseteknikker og endda fremme vores viden om materialevidenskab og miljøprocesser.

"Forståelse af ladningsoverførsel til opløsningsmiddel giver indsigt i opførsel af energi og elektroner i kemiske reaktioner, hvilket påvirker en række fra naturlige biologiske aktiviteter til teknologien, der bruges til energiomdannelse," siger Lan.

Flere oplysninger: Jinggang Lan et al., Dynamics of the charge transfer to solvent process in vandigt iodid, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46772-0

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Ecole Polytechnique Federale de Lausanne