I fotocatalizzatori – materiali che innescano reazioni chimiche quando colpiti dalla luce – sono importanti in numerosi processi naturali e industriali, dalla produzione di idrogeno come combustibile all'attivazione della fotosintesi.

Ora un team internazionale ha utilizzato un laser a raggi X presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia per ottenere uno sguardo incredibilmente dettagliato su cosa succede alla struttura di un fotocatalizzatore modello quando assorbe la luce.

I ricercatori hanno utilizzato impulsi laser estremamente veloci per osservare il cambiamento della struttura e vedere le molecole vibrare, suonando "come un insieme di campane, " dice l'autore principale Kristoffer Haldrup, uno scienziato senior presso l'Università tecnica della Danimarca (DTU). Questo studio apre la strada a indagini più approfondite su questi processi, che potrebbe aiutare nella progettazione di catalizzatori migliori per la scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno per le tecnologie energetiche di prossima generazione.

"Se siamo in grado di comprendere tali processi, quindi possiamo applicare questa comprensione allo sviluppo di sistemi molecolari che eseguono trucchi del genere con un'efficienza molto elevata, " dice Haldrup.

I risultati pubblicati la scorsa settimana in Lettere di revisione fisica .

Insieme molecolare

Il fotocatalizzatore a base di platino che hanno studiato, chiamato PtPOP, fa parte di una classe di molecole che strappano gli atomi di idrogeno da varie molecole di idrocarburi quando vengono colpite dalla luce, Haldrup dice:"È un banco di prova, un parco giochi, se vuoi, per studiare la fotocatalisi mentre accade."

Al laser a raggi X di SLAC, la sorgente luminosa coerente Linac (LCLS), i ricercatori hanno usato un laser ottico per eccitare le molecole contenenti platino e poi hanno usato i raggi X per vedere come queste molecole hanno cambiato la loro struttura dopo aver assorbito i fotoni visibili. Gli impulsi laser a raggi X estremamente brevi hanno permesso loro di osservare il cambiamento della struttura, dice Haldrup.

I ricercatori hanno usato un trucco per "congelare" selettivamente alcune delle molecole nel loro movimento vibrazionale, e poi ha usato gli impulsi a raggi X ultracorti per catturare come l'intero insieme di molecole si è evoluto nel tempo dopo essere stato colpito dalla luce. Scattando queste immagini in momenti diversi, è possibile unire i singoli fotogrammi come un film in stop-motion. Ciò ha fornito loro informazioni dettagliate sulle molecole che non sono state colpite dalla luce laser, offrendo informazioni sui cambiamenti ultraveloci che si verificano nelle molecole quando sono alla loro energia più bassa.

Nuotare in armonia

Anche prima che la luce colpisca le molecole, vibrano tutti ma non sono sincronizzati l'uno con l'altro. Kelly Gaffney, coautore di questo articolo e direttore della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource di SLAC, paragona questo movimento ai nuotatori in una piscina, calpestando furiosamente l'acqua.

Quando il laser ottico li colpisce, alcune delle molecole colpite dalla luce iniziano a muoversi all'unisono e con maggiore intensità, passando da quel battistrada discordante a colpi sincronizzati. Sebbene questo fenomeno sia già stato osservato, fino ad ora era difficile da quantificare.

"Questa ricerca dimostra chiaramente la capacità dei raggi X di quantificare come l'eccitazione cambia le molecole, " Dice Gaffney. "Non possiamo solo dire che è eccitato vibrazionalmente, ma possiamo anche quantificarlo e dire quali atomi si stanno muovendo e di quanto."

Chimica predittiva

Per dare seguito a questo studio, i ricercatori stanno studiando come cambiano le strutture delle molecole di PtPOP quando prendono parte a reazioni chimiche. Sperano anche di utilizzare le informazioni ottenute in questo studio per studiare direttamente come si creano e si rompono i legami chimici in sistemi molecolari simili.

"Possiamo investigare le basi della fotochimica, vale a dire come eccitare gli elettroni nel sistema porta ad alcuni cambiamenti molto specifici nella struttura molecolare complessiva, "dice Tim Brandt van Driel, un coautore di DTU che ora è uno scienziato presso LCLS. "Questo ci permette di studiare come l'energia viene immagazzinata e rilasciata, che è importante per comprendere i processi che sono anche al centro della fotosintesi e del sistema visivo".

Una migliore comprensione di questi processi potrebbe essere la chiave per progettare materiali e sistemi migliori con funzioni utili.

"Un sacco di comprensione chimica è razionalizzata dopo il fatto. Non è affatto predittivo, " Dice Gaffney. "Lo vedi e poi spieghi perché è successo. Stiamo cercando di spostare la progettazione di materiali chimici utili in uno spazio più predittivo, e ciò richiede una conoscenza accurata e dettagliata di ciò che accade nei materiali che già funzionano."