Хімічні реакції відбуваються настільки швидко, що зазвичай ми можемо лише здогадуватися, що саме відбувається всередині молекули. Тепер вчені змогли простежити один із фундаментальних процесів майже в реальному часі — і побачили, як зміни в молекулі синхронно запускають перебудову води навколо неї.
Дослідники з Pacific Northwest National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory та кількох університетів вивчили реакцію, яка відіграє важливу роль у природі та багатьох енергетичних технологіях. Результати дослідження були опубліковані в Nature Communications.
Йдеться про протон-спряжений перенос електрона (PCET) — процес, під час якого позитивно заряджений протон і негативно заряджений електрон переміщуються скоординовано. Подібні реакції лежать в основі фотосинтезу та метаболізму їжі. Вони також важливі для роботи каталізаторів, паливних елементів і проточних батарей.
Вчені фактично «заморозили» надшвидку реакцію
Головна проблема полягала у швидкості. Електрони переміщуються надзвичайно швидко, протони можуть рухатися майже так само стрімко, а молекули води навколо реагентів за цей час також встигають перебудовуватися. Щоб розгледіти цей процес, дослідники використали два надшвидкі рентгенівські методи на установці Linac Coherent Light Source у SLAC.
Один метод дозволив визначити, як змінюється електронна структура конкретних ділянок молекули. Другий показав, як змінюється її структура та як перебудовується навколишня мережа молекул води.
Потім отримані дані порівняли з комп’ютерними моделями. У результаті вчені отримали своєрідну картину реакції: молекула отримує протон, її електронна структура змінюється у певних місцях, а вода навколо неї майже одночасно перебудовується.
Протон дослідники безпосередньо не побачили
Це важливе уточнення. Рентгенівські методи набагато краще «бачать» атоми, які містять багато електронів. Сам протон настільки малий, що безпосередньо зафіксувати його цим способом практично неможливо. Тому вчені визначали його роль за непрямими ознаками — змінами електронної структури молекули та перебудовою водного середовища.
Комп’ютерні розрахунки допомогли перевірити, чи узгоджується така картина з експериментальними даними. Саме поєднання експерименту та теорії дозволило дослідникам відновити детальну послідовність подій.
Навіщо взагалі стежити за протонами та електронами?
Тому що така хімія лежить буквально в основі перетворення енергії в природі. Координоване переміщення протона та електрона дозволяє молекулам уникати енергетично невигідних проміжних станів. Завдяки цьому деякі реакції можуть проходити швидше та ефективніше.
У фотосинтезі подібні процеси допомагають живим організмам перетворювати енергію світла. Схожі механізми важливі й для технологій, де потрібно ефективно перетворювати або зберігати енергію. Тому краще розуміння PCET може допомогти не лише пояснити фундаментальні хімічні процеси, а й удосконалити майбутні каталізатори та енергетичні системи.
Найцікавіше може бути попереду
Дослідники спеціально використали відносно просту молекулу на основі рутенію. Це дозволило їм не заплутатися в додаткових структурних та електронних змінах і зосередитися на русі електронів, протонів та води. Але справжня мета — застосувати такий підхід до значно складніших реакцій.
Наприклад, учені досі не завжди можуть однозначно визначити, чи рухаються протон та електрон одночасно, які саме ділянки молекули беруть участь у процесі та яку роль відіграє мережа води, допомагаючи протону переміщатися. Тепер у них з’явився інструмент, який дозволяє розглядати ці процеси значно детальніше.
Можливо, найважливіше відкриття полягає навіть не в самій реакції. Вчені отримали новий спосіб спостерігати за тим, як молекула та її оточення фактично працюють як єдина система. А це може стати ключем до розуміння й контролю хімічних реакцій, які забезпечують перетворення енергії — від фотосинтезу в рослинах до майбутніх технологій чистої енергетики.