Lichtabsorberende moleculen kunnen fotonen omzetten in elektriciteit of brandstoffen door elektronen van het ene atoom naar het andere te transporteren. In veel gevallen zijn de moleculen omgeven door een oplosmiddel:water, in het geval van fotosynthese - en studies hebben aangetoond dat het oplosmiddel een belangrijke rol speelt bij elektronenoverdracht. Maar het was moeilijk om de bewegingen van oplosmiddelmoleculen te meten om erachter te komen hoe ze het proces beïnvloeden.

In een nieuwe studie, onderzoekers hebben voor het eerst de snelle bewegingen vastgelegd van oplosmiddelmoleculen die van invloed zijn op door licht aangedreven elektronenoverdracht in een moleculair complex - informatie die onderzoekers zou kunnen helpen om te leren hoe ze de energiestroom in moleculen kunnen regelen, mogelijk leiden tot efficiëntere schone energiebronnen.

"Het is een langdurige uitdaging in de chemie om te begrijpen, op microscopisch niveau, de cruciale rol die oplosmiddelen spelen bij chemische reacties, " zegt Elisa Biasin, een onderzoeksmedewerker aan het Stanford PULSE Institute van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy. "Tot voor kort hadden we geen tools die direct gevoelig waren voor atomaire beweging op zeer snelle tijdschalen om dit te onderzoeken."

Een onderzoeksteam onder leiding van Munira Khalil, een professor scheikunde aan de Universiteit van Washington, met medewerkers van SLAC en het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) van de DOE overwon dit obstakel met behulp van een combinatie van röntgentechnieken en simulaties. Ze publiceerden hun resultaten in Natuurchemie .

Gesynchroniseerde bewegingen

Het team concentreerde zich op een moleculair complex met twee metaalatomen die een elektron tussen hen kunnen uitwisselen. Dit systeem dient als een platform om elektronenoverdrachtsreacties te bestuderen. Eerst losten ze het complex op in water, waar het sterke waterstofbruggen vormde met omringende watermoleculen. Ze begonnen het proces van elektronenoverdracht tussen de metaalatomen met behulp van een optische laserpuls. Vervolgens verspreidden ze röntgenpulsen van SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) van het monster om de beweging van de atomen in het complex en de omringende oplosmiddelmoleculen tijdens de elektronenoverdracht te volgen.

De ultrakorte röntgenpulsen, slechts een miljoenste van een miljardste van een seconde lang, legde de gesynchroniseerde bewegingen vast van de watermoleculen die aan het complex waren gebonden. Als een elektron overgedragen van het ene metaalatoom naar het andere, de waterstofbruggen verzwakten en de oplosmiddelmoleculen verwijderden zich van het complex. Toen het elektron terugkeerde naar het eerste metaalatoom, de oplosmiddelmoleculen oscilleerden terug naar hun oorspronkelijke positie.

"Dit is de eerste keer dat we in staat zijn geweest om experimenteel een specifieke beweging van een oplosmiddel vast te leggen dat in dit soort lockstep zit met wat er gebeurt in het moleculaire complex, ' zegt Khalil.

De dans vastleggen

Het team kon de experimentele resultaten analyseren en interpreteren met behulp van moleculaire simulaties. Natuurkundige Niri Govind en computationeel chemicus Amity Andersen van PNNL hebben bijgedragen aan deze simulaties met NWChem, een open-source door PNNL ontwikkeld softwarepakket voor computationele chemie.

Govind zegt, "De combinatie van experiment en moleculaire simulatie was cruciaal voor het begrijpen van de gekoppelde dans die optreedt tijdens ultrasnelle elektronenoverdracht tussen de metaalatomen en de omringende watermoleculen."

Opvolgen, de onderzoekers hopen experimenten uit te voeren met andere oplosmiddelen om te zien hoe ze de elektronenoverdracht beïnvloeden.

"Het doel, "Biasin zegt, "is om genoeg te leren op atomaire schaal dat we voorspellingen kunnen doen en leren hoe we een zekere mate van controle kunnen uitoefenen op elektronenoverdrachten en andere belangrijke chemische reacties."