L’acqua, la culla della vita sulla Terra, non è solo uno sfondo passivo ma partecipa attivamente al balletto chimico della vita. Al centro di questa danza c'è il comportamento degli elettroni, in particolare durante un processo noto come trasferimento di carica al solvente (CTTS).

CTTS è come una danza microscopica in cui un elettrone proveniente da qualcosa di disciolto nell'acqua, come il sale, salta fuori e si unisce all'acqua stessa. Il processo crea un elettrone ora “idratato”, che è un elemento chiave di molte reazioni acquose, come quelle alla base della vita stessa. Di conseguenza, il CTTS è essenziale per comprendere come gli elettroni si muovono nelle soluzioni.

In un nuovo studio dell'EPFL pubblicato su Nature Communications , i ricercatori Jinggang Lan, Majed Chergui e Alfredo Pasquarello hanno studiato le complesse interazioni tra gli elettroni e i loro ambienti solventi.

Il lavoro è stato concepito e svolto principalmente presso l'EPFL, con i contributi finali di Jinggang Lan dopo aver accettato una borsa di studio post-dottorato presso il Simons Center for Computational Physical Chemistry presso la New York University.

Osservando il processo CTTS, i ricercatori hanno visualizzato meticolosamente l'interazione dinamica tra l'elettrone in fuga e le molecole d'acqua polarizzanti che lo circondano, segnando un passo avanti significativo nella nostra comprensione di interazioni così complesse.

Il team ha utilizzato lo ioduro disciolto nell’acqua (ioduro acquoso), perché rende più facile capire come gli elettroni si spostano nell’acqua circostante. Lo ioduro, come il sale da cucina, non ha movimenti interni complessi, il che lo rende più semplice da studiare. Ciò ha permesso agli scienziati di osservare come lo ioduro può rilasciare rapidamente un elettrone nell'acqua circostante, un processo influenzato dalla disposizione delle molecole d'acqua attorno allo ioduro.

Per studiare il processo CTTS, i ricercatori hanno utilizzato la dinamica molecolare ab initio, una tecnica sofisticata che simula il comportamento delle molecole in un computer calcolando le interazioni e i movimenti atomici da principi fisici fondamentali utilizzando la meccanica quantistica.

"Ab initio" significa "dall'inizio" in latino, a indicare che questo metodo parte da principi fisici fondamentali, consentendo agli scienziati di prevedere con precisione come le molecole e i materiali si evolvono nel tempo senza fare affidamento su dati empirici per le interazioni tra le particelle.

Combinando l'approccio ab initio con sofisticate tecniche di apprendimento automatico, gli scienziati sono stati in grado di visualizzare e analizzare il processo CTTS con dettagli senza precedenti, monitorando il viaggio di un elettrone dall'attaccamento a uno ione ioduro fino alla solvatazione, ovvero all'essere circondato e stabilizzato da molecole d'acqua .

Lo studio ha rivelato che il CTTS coinvolge una serie di stati distinti, ciascuno caratterizzato dalla distanza tra l'elettrone e il nucleo di iodio:dall'essere strettamente associato all'atomo di iodio (stato di coppia di contatto), alla separazione nel solvente (stato separato dal solvente ), e infine divenendo completamente solvatato come elettrone idratato.

"Il progresso resta per lo più a livello fondamentale", spiega Pasquarello. "Il meccanismo descritto implica una sottile interazione tra l'eccitazione elettronica e gli effetti di polarizzazione ionica, che producono una sequenza di configurazioni rivelate dalle nostre simulazioni."

Ma far luce sul CTTS potrebbe anche avere implicazioni in un’ampia gamma di applicazioni che coinvolgono reazioni di trasferimento di carica ed energia. Comprendere come gli elettroni interagiscono con l'ambiente a un livello così fondamentale potrebbe essere fondamentale per sviluppare sistemi di conversione dell'energia solare più efficienti, migliorare le tecniche di fotocatalisi e persino far avanzare la nostra conoscenza della scienza dei materiali e dei processi ambientali.

"Comprendere il trasferimento di carica al solvente fornisce informazioni sul comportamento dell'energia e degli elettroni nelle reazioni chimiche, influenzando una vasta gamma di attività biologiche naturali fino alla tecnologia utilizzata nella conversione dell'energia", afferma Lan.