Le molecole che assorbono la luce possono trasformare i fotoni in elettricità o combustibili spostando gli elettroni da un atomo all'altro. In molti casi le molecole sono circondate da un solvente:acqua, nel caso della fotosintesi, e gli studi hanno dimostrato che il solvente svolge un ruolo importante nel trasferimento di elettroni. Ma misurare i movimenti delle molecole di solvente per scoprire come influenzano il processo è stato difficile.

In un nuovo studio, i ricercatori hanno catturato per la prima volta i movimenti rapidi delle molecole di solvente che influiscono sul trasferimento di elettroni guidato dalla luce in un complesso molecolare:informazioni che potrebbero aiutare i ricercatori a imparare come controllare il flusso di energia nelle molecole, potenzialmente portando a fonti di energia pulita più efficienti.

"È una sfida di vecchia data in chimica capire, a livello microscopico, il ruolo cruciale che i solventi svolgono nelle reazioni chimiche, "dice Elisa Biasin, ricercatore associato presso lo Stanford PULSE Institute presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia. "Fino a poco tempo fa non avevamo strumenti che fossero direttamente sensibili al movimento atomico su scale temporali molto veloci per indagare su questo".

Un gruppo di ricerca guidato da Munira Khalil, professore di chimica all'Università di Washington, con i collaboratori dello SLAC e il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del DOE hanno superato questo ostacolo utilizzando una combinazione di tecniche e simulazioni a raggi X. Hanno pubblicato i loro risultati in Chimica della natura .

Movimenti sincronizzati

Il team si è concentrato su un complesso molecolare contenente due atomi di metallo in grado di scambiare un elettrone tra di loro. Questo sistema funge da piattaforma per studiare le reazioni di trasferimento di elettroni. Per prima cosa hanno sciolto il complesso in acqua, dove ha formato forti legami idrogeno con le molecole d'acqua circostanti. Hanno dato il via al processo di trasferimento di elettroni tra gli atomi di metallo usando un impulso laser ottico. Quindi hanno diffuso gli impulsi a raggi X dalla Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC dal campione per monitorare il movimento degli atomi nel complesso e le molecole di solvente circostanti durante il trasferimento di elettroni.

Gli impulsi a raggi X ultracorti, solo milionesimi di miliardesimo di secondo lungo, catturato i movimenti sincronizzati delle molecole d'acqua che erano legate al complesso. Come un elettrone trasferito da un atomo di metallo all'altro, i legami idrogeno si sono indeboliti e le molecole di solvente si sono allontanate dal complesso. Quando l'elettrone è tornato al primo atomo di metallo, le molecole di solvente tornarono alla loro posizione originale.

"Questa è la prima volta che siamo stati in grado di catturare sperimentalmente un movimento specifico di un solvente che è in questa sorta di sintonia con ciò che sta accadendo all'interno del complesso molecolare, "Dice Khalil.

Catturare la danza

Il team è stato in grado di analizzare e interpretare i risultati sperimentali utilizzando simulazioni molecolari. Il fisico Niri Govind e il chimico computazionale Amity Andersen del PNNL hanno contribuito a queste simulazioni con NWChem, un pacchetto software di chimica computazionale open source sviluppato da PNNL.

Govind dice, "La combinazione di esperimento e simulazione molecolare è stata fondamentale per comprendere la danza accoppiata che si verifica durante il trasferimento ultraveloce di elettroni tra gli atomi di metallo e le molecole d'acqua circostanti".

Seguire, i ricercatori sperano di condurre esperimenti con altri solventi per vedere come influenzano il trasferimento di elettroni.

"L'obiettivo. il gol, "Biasi dice, "è imparare abbastanza su scala atomica da poter fare previsioni e imparare come esercitare un certo livello di controllo sui trasferimenti di elettroni e su altre importanti reazioni chimiche".