Молекулы, поглощающие свет, способны преобразовывать фотоны в электричество или топливо, перемещая электроны от одного атома к другому. Во многих случаях молекулы окружены растворителем (водой), и недавнее исследование показало, что растворитель играет важную роль в переносе электронов.
В новом исследовании, о котором можно прочесть на сайте Национальной ускорительной лаборатории SLAC, ученые впервые зафиксировали быстрое передвижение молекул растворителя, влияющее на перенос электронов под действием света в молекулярном комплексе. Это должно помочь исследователям узнать, как контролировать поток энергии в молекулах.
— В химии давно стоит задача понять на микроскопическом уровне решающую роль растворителей в химических реакциях, — говорит Элиза Биасин, научный сотрудник Стэнфордского института PULSE, — До недавнего времени у нас не было инструментов, которые были бы настолько чувствительны к движению атомов в максимально быстрых временных масштабах.
Исследовательская группа под руководством Муниры Халил, профессора химии Вашингтонского университета, с сотрудниками из SLAC и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США (PNNL) преодолела это препятствие, используя комбинацию рентгеновских методов и моделирования. Они опубликовали свои результаты в Nature Chemistry.
Команда сосредоточилась на молекулярном комплексе, содержащем два атома металла, которые способны обмениваться электронами между собой. Сначала они растворили комплекс в воде, где образовались прочные водородные связи с окружающими молекулами воды. Потом ученые запустили процесс переноса электронов между атомами металла с помощью оптического лазерного импульса. Затем они рассеивали рентгеновские импульсы от источника когерентного света (LCLS).
Ультракороткие рентгеновские импульсы длительностью всего в миллионные доли секунды улавливают синхронизированные движения молекул воды, связанных с этим комплексом. Когда электрон переносится от одного атома металла к другому, водородные связи ослабляются, и молекулы растворителя удаляются от комплекса. Когда электрон переместился к первому атому металла, молекулы растворителя вернулись в исходное положение.
«Это первый раз, когда мы смогли экспериментально зафиксировать определенное движение растворителя, которое находится в таком совпадении с тем, что происходит внутри молекулярного комплекса», — говорит Халил.
В дальнейшем исследователи надеются провести эксперименты с другими растворителями, чтобы увидеть то, как они повлияют на перенос электронов.
