Z jednej strony członkowie zespołu badawczego dostrzegli zmiany zachodzące wewnątrz reagującej cząsteczki, a z drugiej – śledzili to, jak w tym samym czasie reorganizuje się otaczająca ją woda. Przedstawiciele Pacific Northwest National Laboratory, SLAC National Accelerator Laboratory oraz współpracujących uczelni wykorzystali dwie uzupełniające się techniki ultrakrótkich pomiarów rentgenowskich. Wyniki pomiarów połączyli następnie z zaawansowanymi obliczeniami teoretycznymi i symulacjami dynamiki molekularnej.
Czytaj też: Kwantowy stan w żywych komórkach. Chińczycy dokonali przełomowej obserwacji
Ich uwagę zwrócił moment, w którym oświetlona cząsteczka przyłącza proton z otoczenia. Zyskanie protonu powoduje zmianę jej struktury elektronowej w określonych miejscach, a jednocześnie wymusza reorganizację sieci cząsteczek wody znajdujących się wokół niej. Oznacza to, że reakcja nie zachodzi wyłącznie wewnątrz pojedynczej cząsteczki. Jej przebieg jest ściśle związany z zachowaniem całego najbliższego środowiska.
To właśnie obserwacja obu tych aspektów jednocześnie stanowi najważniejszy aspekt eksperymentu. Dotychczasowe metody pozwalały badać poszczególne fragmenty procesu, jednak znacznie trudniej było połączyć informacje o zmianach elektronowych z reorganizacją otaczającego rozpuszczalnika. Naukowcy wykorzystali w tym celu promieniowanie rentgenowskie generowane w Linac Coherent Light Source w SLAC.
W eksperymencie zastosowali stosunkowo prosty kompleks molekularny oparty na rutenie. Jego zachowanie można było dobrze kontrolować, dzięki czemu badacze byli w stanie skoncentrować się na przemieszczaniu elektronów i protonów oraz zmianach w środowisku wodnym, bez dodatkowych procesów utrudniających interpretację wyników. Jedna z wykorzystanych technik pozwoliła śledzić zmiany elektroniczne związane z konkretnymi atomami, druga natomiast dostarczyła informacji o reorganizacji struktury cząsteczki i otaczającej ją wody.
Sprzężony transfer protonu i elektronu jest istotny, ponieważ pozwala reakcjom chemicznym omijać energetycznie kosztowne etapy pośrednie. Dzięki temu mogą one przebiegać szybciej i efektywniej. Mechanizm PCET występuje między innymi podczas fotosyntezy i metabolizmu, lecz ma również znaczenie dla projektowania katalizatorów, ogniw paliwowych czy baterii przepływowych.
Czytaj też: Polimer, który znika w 90°C i odradza się z pary. Przełom w chemii materiałów o obiegu zamkniętym
Niestety, badanie nie pozwoliło zobaczyć samego protonu bezpośrednio. Promieniowanie rentgenowskie znacznie łatwiej wykrywa atomy zawierające większą liczbę elektronów. Naukowcy mogli więc wnioskować o ruchu protonu na podstawie obserwowanych zmian elektronicznych i strukturalnych oraz ich zgodności z wynikami obliczeń. Jeśli zaś chodzi o przyszłość, to opracowana metoda powinna posłużyć do badania bardziej skomplikowanych reakcji. Szczególnie ważne będzie ustalenie, czy proton i elektron przemieszczają się dokładnie w tym samym momencie, czy też transfer odbywa się w kolejnych etapach, a także jaką rolę w całym procesie odgrywa sieć cząsteczek wody.
Źródło: Nature Communications
