Un team internazionale ha fatto un passo avanti a BESSY II. Per la prima volta, sono riusciti a studiare in dettaglio gli stati elettronici di un metallo di transizione ea trarre dai dati conclusioni affidabili sul loro effetto catalitico. Questi risultati sono utili per lo sviluppo di future applicazioni di sistemi catalitici di metalli di transizione. Il lavoro è stato ora pubblicato in Scienze chimiche , la rivista Open Access della Royal Society of Chemistry.

Molti importanti processi in natura dipendono da catalizzatori, che sono atomi o molecole che facilitano una reazione, ma ne emergono essi stessi immutati. Un esempio è la fotosintesi nelle piante, che è possibile solo con l'aiuto di un complesso proteico comprendente quattro siti di atomi di manganese al suo centro. Reazioni redox, come sono indicati, spesso svolgono un ruolo fondamentale in questo tipo di processi. I reagenti vengono ridotti attraverso l'assorbimento di elettroni, o ossidati attraverso il loro rilascio. I processi redox catalitici in natura e nell'industria spesso riescono solo grazie a catalizzatori idonei, dove i metalli di transizione svolgono una funzione importante.

Questi metalli di transizione, ed in particolare il loro stato redox o di ossidazione, può essere esaminato particolarmente bene utilizzando raggi X molli, perché gli stati elettronici possono essere misurati con precisione utilizzando la spettroscopia a raggi X. Nella cosiddetta spettroscopia di assorbimento L-edge, gli elettroni dal guscio 2p del metallo di transizione sono eccitati in modo che occupino orbitali d liberi. Dallo spettro di assorbimento dei raggi X può essere determinata una differenza di energia che riflette in modo noto lo stato di ossidazione della molecola o del catalizzatore. Però, esattamente dove gli elettroni vengono assorbiti o rilasciati dal catalizzatore durante una reazione redox, cioè esattamente come varia la densità di carica nel catalizzatore con lo stato di ossidazione, prima era difficile da verificare. Ciò era dovuto principalmente alla mancanza di metodi affidabili per la descrizione teorica delle densità di carica nelle molecole di catalizzatore negli stati fondamentale ed eccitato, e alla difficoltà di ottenere dati sperimentali affidabili. Se i metalli di transizione si trovano in complessi molecolari organici complessi più grandi, come sono tipicamente per i veri catalizzatori redox, il loro studio diventa estremamente difficile, perché i raggi X portano a danni nel campione.

Ora, per la prima volta, un team internazionale dell'Helmholtz-Zentrum di Berlino, Università di Uppsala (Svezia), Lawrence Berkeley National Laboratory a Berkeley (USA), Università di Manchester (Gran Bretagna), e lo SLAC National Accelerator Laboratory della Stanford University (USA) è riuscito a studiare gli atomi di manganese in diversi stati di ossidazione, ad es. durante diverse fasi di ossidazione, in vari composti attraverso misurazioni operando a BESSY II. Per realizzare questo, Philippe Wernet e il suo team hanno introdotto i campioni in vari solventi, ha esaminato i getti di questi liquidi mediante raggi X, e hanno confrontato i loro dati con nuovi calcoli del gruppo di Marcus Lundberg all'Università di Uppsala. "Siamo riusciti a determinare come, e soprattutto perché, gli spettri di assorbimento dei raggi X si spostano con gli stati di ossidazione, " afferma il teorico Marcus Lundberg. Gli studenti di dottorato Markus Kubin (HZB) con la sua esperienza sperimentale e Meiyuan Guo (Università di Uppsala) con la sua esperienza teorica riflettono l'approccio interdisciplinare dello studio e hanno contribuito ugualmente come primi autori del documento.

"Abbiamo combinato una nuova configurazione sperimentale con calcoli di chimica quantistica. A nostro avviso, abbiamo raggiunto una svolta nella comprensione dei catalizzatori organometallici, " dice Wernet. "Per la prima volta, siamo stati in grado di testare e convalidare empiricamente calcoli di ossidazione e riduzione che non avvengono localmente sul metallo, ma invece sull'intera molecola."

"Questi risultati sono una pietra miliare per il lavoro futuro in sistemi più complessi, come il cluster di tetra manganese nella fotosintesi. Faciliteranno una nuova comprensione dei processi redox per il catalizzatore di manganese nel complesso proteico Photosystem II, "dice Junko Yano, scienziato senior della divisione di biofisica molecolare e bioimmagine integrata (MBIB) e del Centro comune per la fotosintesi artificiale (JCAP) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, che sta conducendo ricerche dettagliate sulla fotosintesi.