Fotokatalysatoren – materialen die chemische reacties veroorzaken wanneer ze door licht worden geraakt – zijn belangrijk in een aantal natuurlijke en industriële processen, van het produceren van waterstof voor brandstof tot het mogelijk maken van fotosynthese.

Nu heeft een internationaal team een ​​röntgenlaser gebruikt in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy om een ​​ongelooflijk gedetailleerd beeld te krijgen van wat er gebeurt met de structuur van een modelfotokatalysator wanneer deze licht absorbeert.

De onderzoekers gebruikten extreem snelle laserpulsen om de structuur te zien veranderen en de moleculen te zien trillen, rinkelen "als een ensemble van klokken, " zegt hoofdauteur Kristoffer Haldrup, een senior wetenschapper aan de Technische Universiteit van Denemarken (DTU). Deze studie maakt de weg vrij voor dieper onderzoek naar deze processen, die zouden kunnen helpen bij het ontwerpen van betere katalysatoren voor het splitsen van water in waterstof en zuurstof voor energietechnologieën van de volgende generatie.

"Als we dergelijke processen kunnen begrijpen, dan kunnen we dat begrip toepassen op het ontwikkelen van moleculaire systemen die zulke trucjes doen met een zeer hoge efficiëntie, ' zegt Haldrup.

De resultaten die vorige week in . werden gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven .

Moleculair ensemble

De op platina gebaseerde fotokatalysator die ze bestudeerden, genaamd PtPOP, behoort tot een klasse van moleculen die waterstofatomen van verschillende koolwaterstofmoleculen scharen wanneer ze door licht worden geraakt, Haldrup zegt:"Het is een proefbed - een speeltuin, als je wilt - voor het bestuderen van fotokatalyse als het gebeurt."

Bij SLAC'S röntgenlaser, de Linac coherente lichtbron (LCLS), de onderzoekers gebruikten een optische laser om de platinabevattende moleculen te exciteren en gebruikten vervolgens röntgenstralen om te zien hoe deze moleculen hun structuur veranderden nadat ze de zichtbare fotonen hadden geabsorbeerd. Door de extreem korte röntgenlaserpulsen konden ze de structuurverandering zien, zegt Haldrup.

De onderzoekers gebruikten een truc om selectief enkele van de moleculen te "bevriezen" in hun trillingsbeweging, en vervolgens de ultrakorte röntgenpulsen gebruikten om vast te leggen hoe het hele ensemble van moleculen in de tijd evolueerde nadat ze met licht waren geraakt. Door deze beelden op verschillende tijdstippen te maken, kunnen ze de afzonderlijke frames aan elkaar plakken als een stop-motionfilm. Dit leverde hen gedetailleerde informatie op over moleculen die niet door het laserlicht werden geraakt, geeft inzicht in de ultrasnelle veranderingen die optreden in de moleculen wanneer ze op hun laagste energie zijn.

Zwemmen in harmonie

Zelfs voordat het licht de moleculen raakt, ze trillen allemaal maar lopen niet synchroon met elkaar. Kelly Gaffney, co-auteur van dit artikel en directeur van SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, vergelijkt deze beweging met zwemmers in een zwembad, woest watertrappelen.

Wanneer de optische laser hen raakt, sommige moleculen die door het licht worden beïnvloed, beginnen eenstemmig en met grotere intensiteit te bewegen, overschakelen van dat dissonante loopvlak naar gesynchroniseerde slagen. Hoewel dit fenomeen eerder is waargenomen, tot nu toe was het moeilijk te kwantificeren.

"Dit onderzoek toont duidelijk het vermogen van röntgenstralen aan om te kwantificeren hoe excitatie de moleculen verandert, " zegt Gaffney. "We kunnen niet alleen zeggen dat het vibrerend is, maar we kunnen het ook kwantificeren en zeggen welke atomen bewegen en met hoeveel."

Voorspellende chemie

Om dit onderzoek op te volgen, de onderzoekers onderzoeken hoe de structuren van PtPOP-moleculen veranderen als ze deelnemen aan chemische reacties. Ze hopen ook de informatie die ze in dit onderzoek hebben opgedaan te gebruiken om direct te bestuderen hoe chemische bindingen worden gemaakt en verbroken in vergelijkbare moleculaire systemen.

"We kunnen de basisprincipes van fotochemie onderzoeken, namelijk hoe opwindend de elektronen in het systeem leiden tot een aantal zeer specifieke veranderingen in de algehele moleculaire structuur, " zegt Tim Brandt van Driel, een co-auteur van DTU die nu wetenschapper is bij LCLS. "Hierdoor kunnen we bestuderen hoe energie wordt opgeslagen en vrijgegeven, wat belangrijk is voor het begrijpen van processen die ook de kern vormen van fotosynthese en het visuele systeem."

Een beter begrip van deze processen zou de sleutel kunnen zijn tot het ontwerpen van betere materialen en systemen met nuttige functies.

"Veel chemisch begrip wordt achteraf gerationaliseerd. Het is helemaal niet voorspellend, Zegt Gaffney. 'Je ziet het en dan leg je uit waarom het is gebeurd. We proberen het ontwerp van bruikbare chemische materialen te verplaatsen naar een meer voorspellende ruimte, en dat vereist nauwkeurige gedetailleerde kennis van wat er gebeurt in de materialen die al werken."