Un equipo internacional ha logrado un gran avance en BESSY II. Por primera vez, lograron investigar los estados electrónicos de un metal de transición en detalle y sacar conclusiones confiables sobre su efecto catalítico a partir de los datos. Estos resultados son útiles para el desarrollo de aplicaciones futuras de sistemas catalíticos de metales de transición. El trabajo ya ha sido publicado en Ciencia química , la revista de acceso abierto de la Royal Society of Chemistry.

Muchos procesos importantes en la naturaleza dependen de catalizadores, que son átomos o moléculas que facilitan una reacción, pero emergen de él mismos sin cambios. Un ejemplo es la fotosíntesis en plantas, lo cual solo es posible con la ayuda de un complejo de proteínas que comprende cuatro sitios de átomos de manganeso en su centro. Reacciones redox, como se les conoce, Suelen desempeñar un papel fundamental en este tipo de procesos. Los reactivos se reducen mediante la absorción de electrones, u oxidado a través de su liberación. Los procesos catalíticos redox en la naturaleza y la industria a menudo solo tienen éxito gracias a catalizadores adecuados, donde los metales de transición cumplen una función importante.

Estos metales de transición, y en particular su estado redox u oxidación, se puede examinar particularmente bien con rayos X suaves, porque los estados electrónicos se pueden medir con precisión mediante espectroscopia de rayos X. En lo que se conoce como espectroscopia de absorción de borde L, los electrones de la capa 2p del metal de transición se excitan de modo que ocupan orbitales d libres. Se puede determinar una diferencia de energía a partir del espectro de absorción de rayos X que refleja el estado de oxidación de la molécula o del catalizador de una manera conocida. Sin embargo, exactamente donde los electrones son absorbidos o liberados por el catalizador durante una reacción redox, es decir, exactamente cómo varía la densidad de carga en el catalizador con el estado de oxidación, anteriormente era difícil de verificar. Esto se debió principalmente a la falta de métodos confiables para la descripción teórica de las densidades de carga en las moléculas de catalizador en los estados fundamental y excitado. ya la dificultad de obtener datos experimentales fiables. Si los metales de transición se encuentran en complejos de moléculas orgánicas complejas más grandes, como suelen ser para los catalizadores redox reales, su estudio se vuelve extremadamente difícil, porque los rayos X provocan daños en la muestra.

Ahora, por primera vez, un equipo internacional del Helmholtz-Zentrum Berlin, Universidad de Uppsala (Suecia), Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley (EE. UU.), Universidad de Manchester (Gran Bretaña), y el SLAC National Accelerator Laboratory de la Universidad de Stanford (EE. UU.) ha tenido éxito en el estudio de átomos de manganeso en diferentes estados de oxidación, es decir. durante las diferentes etapas de oxidación, en varios compuestos mediante mediciones en funcionamiento en BESSY II. Para lograr esto, Philippe Wernet y su equipo introdujeron las muestras en varios disolventes, examinó los chorros de estos líquidos mediante rayos X, y comparó sus datos con cálculos novedosos del grupo de Marcus Lundberg en la Universidad de Uppsala. "Logramos determinar cómo, y sobre todo por qué, el espectro de absorción de rayos X cambia con los estados de oxidación, "dice el teórico Marcus Lundberg. Los estudiantes de doctorado Markus Kubin (HZB) con su experiencia experimental y Meiyuan Guo (Universidad de Uppsala) con su experiencia teórica reflejan el enfoque interdisciplinario del estudio y contribuyeron igualmente como primeros autores del artículo.

"Combinamos una configuración experimental novedosa con cálculos químicos cuánticos. En nuestra opinión, hemos logrado un gran avance en la comprensión de los catalizadores organometálicos, "dice Wernet." Por primera vez, pudimos probar y validar empíricamente cálculos de oxidación y reducción que no tienen lugar localmente en el metal, sino en toda la molécula ".

"Estos hallazgos son una piedra angular para el trabajo futuro en sistemas más complejos, como el grupo de tetramanganeso en la fotosíntesis. Facilitarán una nueva comprensión de los procesos redox para el catalizador de manganeso en el complejo proteico Photosystem II, "dice Junko Yano, científico principal de la División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada (MBIB) y el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial (JCAP) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que está llevando a cabo una investigación detallada de la fotosíntesis.