Wetenschap
Een dans van elektronen en watermoleculen ontcijferen
Een onderzoeksproject bij EPFL is erin geslaagd de complexe dans van elektronen in water te decoderen, een belangrijke stap in het begrijpen van een kritisch proces van veel chemische verschijnselen, en dat zou de eerste stap kunnen zijn naar het verbeteren van energieconversietechnologieën.
Water, de bakermat van het leven op aarde, is niet slechts een passieve achtergrond, maar neemt actief deel aan het chemische ballet van het leven. Centraal in deze dans staat het gedrag van elektronen, vooral tijdens een proces dat bekend staat als ladingsoverdracht naar oplosmiddel (CTTS).
CTTS is als een microscopische dans waarbij een elektron uit iets opgelost in water, zoals zout, eruit springt en zich bij het water zelf voegt. Het proces creëert een nu 'gehydrateerd' elektron, dat een sleutelelement is van veel waterige reacties, zoals de reacties die ten grondslag liggen aan het leven zelf. Daarom is CTTS essentieel om te begrijpen hoe elektronen in oplossingen bewegen.
In een nieuwe EPFL-studie gepubliceerd in Nature Communications hebben onderzoekers Jinggang Lan, Majed Chergui en Alfredo Pasquarello de ingewikkelde interacties tussen elektronen en hun oplosmiddelomgeving bestudeerd.
Het werk werd bedacht en voornamelijk uitgevoerd bij EPFL, met de laatste hand aan de bijdragen van Jinggang Lan nadat hij een postdoctoraal fellowship had aangenomen in het Simons Center for Computational Physical Chemistry van de New York University.
Kijkend naar het CTTS-proces visualiseerden de onderzoekers nauwgezet de dynamische wisselwerking tussen het ontsnappende elektron en de polariserende watermoleculen eromheen, wat een aanzienlijke sprong betekende in ons begrip van dergelijke complexe interacties.
Het team gebruikte jodide opgelost in water (waterig jodide), omdat het gemakkelijker te begrijpen is hoe elektronen naar het omringende water bewegen. Jodide heeft, net als keukenzout, geen complexe interne bewegingen, waardoor het eenvoudiger te bestuderen is. Hierdoor konden de wetenschappers observeren hoe jodide snel een elektron in het omringende water kan afgeven, een proces dat wordt beïnvloed door de rangschikking van watermoleculen rond het jodide.
Om het CTTS-proces te bestuderen, gebruikten de onderzoekers ab initio moleculaire dynamica, een geavanceerde techniek die het gedrag van moleculen in een computer simuleert door atomaire interacties en bewegingen te berekenen op basis van fundamentele fysische principes met behulp van kwantummechanica.
'Ab initio' betekent 'vanaf het begin' in het Latijn, wat aangeeft dat deze methode vertrekt van fundamentele fysische principes, waardoor wetenschappers nauwkeurig kunnen voorspellen hoe moleculen en materialen in de loop van de tijd evolueren zonder te vertrouwen op empirische gegevens voor de interacties tussen deeltjes.
Door de ab initio-aanpak te combineren met geavanceerde machine learning-technieken, konden de wetenschappers het CTTS-proces in ongekend detail visualiseren en analyseren, waarbij ze de reis van een elektron volgden van gehechtheid aan een jodide-ion tot solvatatie – omgeven en gestabiliseerd door watermoleculen. .
Uit het onderzoek bleek dat CTTS een reeks verschillende toestanden omvat, elk gekenmerkt door de afstand tussen het elektron en de jodiumkern:van nauw verbonden zijn met het jodiumatoom (contactpaartoestand) tot scheiding in het oplosmiddel (oplosmiddelgescheiden toestand ), en uiteindelijk volledig gesolvateerd worden als een gehydrateerd elektron.
‘De vooruitgang situeert zich vooral op het fundamentele niveau’, zegt Pasquarello. "Het beschreven mechanisme omvat een subtiel samenspel tussen elektronische excitatie en ionische polarisatie-effecten, die een reeks configuraties produceren zoals onthuld door onze simulaties."
Maar het werpen van licht op CTTS zou ook gevolgen kunnen hebben voor een breed scala aan toepassingen waarbij ladings- en energieoverdrachtsreacties betrokken zijn. Begrijpen hoe elektronen op zo'n fundamenteel niveau met hun omgeving omgaan, zou van cruciaal belang kunnen zijn voor het ontwikkelen van efficiëntere zonne-energieconversiesystemen, het verbeteren van fotokatalysetechnieken en zelfs het bevorderen van onze kennis van materiaalkunde en milieuprocessen.
"Het begrijpen van ladingsoverdracht naar oplosmiddel geeft inzicht in het gedrag van energie en elektronen in chemische reacties, en beïnvloedt een scala van natuurlijke biologische activiteiten tot de technologie die wordt gebruikt bij energieconversie", zegt Lan.