Las moléculas que absorben la luz pueden transformar fotones en electricidad o combustibles al transportar electrones de un átomo a otro. En muchos casos, las moléculas están rodeadas por un disolvente:agua, en el caso de la fotosíntesis, y los estudios han demostrado que el solvente juega un papel importante en la transferencia de electrones. Pero medir los movimientos de las moléculas de solvente para descubrir cómo influyen en el proceso ha sido difícil.

En un nuevo estudio, Los investigadores han capturado los movimientos rápidos de las moléculas de solvente que impactan la transferencia de electrones impulsada por la luz en un complejo molecular por primera vez, información que podría ayudar a los investigadores a aprender a controlar el flujo de energía en las moléculas. potencialmente conduciendo a fuentes de energía limpia más eficientes.

"Es un desafío de larga data en química entender, a nivel microscópico, el papel crucial que juegan los disolventes en las reacciones químicas, "dice Elisa Biasin, investigador asociado en el Stanford PULSE Institute en el SLAC National Accelerator Laboratory del Departamento de Energía. "Hasta hace poco, no teníamos herramientas que fueran directamente sensibles al movimiento atómico en escalas de tiempo muy rápidas para investigar esto".

Un equipo de investigación dirigido por Munira Khalil, profesor de química en la Universidad de Washington, con colaboradores en SLAC y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del DOE superó este obstáculo utilizando una combinación de técnicas de rayos X y simulaciones. Publicaron sus resultados en Química de la naturaleza .

Movimientos sincronizados

El equipo se centró en un complejo molecular que contiene dos átomos de metal que pueden intercambiar un electrón entre ellos. Este sistema sirve como plataforma para estudiar las reacciones de transferencia de electrones. Primero disolvieron el complejo en agua, donde formó fuertes enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua circundantes. Iniciaron el proceso de transferencia de electrones entre los átomos de metal utilizando un pulso de láser óptico. Luego, dispersaron pulsos de rayos X de la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC fuera de la muestra para monitorear el movimiento de los átomos en el complejo y las moléculas de solvente circundantes durante la transferencia de electrones.

Los pulsos de rayos X ultracortos, solo una millonésima de una mil millonésima de segundo de duración, capturó los movimientos sincronizados de las moléculas de agua que estaban unidas al complejo. Como un electrón transferido de un átomo de metal a otro, los enlaces de hidrógeno se debilitaron y las moléculas de disolvente se alejaron del complejo. Cuando el electrón regresó al primer átomo de metal, las moléculas de disolvente volvieron a oscilar a su posición original.

"Esta es la primera vez que hemos podido capturar experimentalmente un movimiento específico de un solvente que está en este tipo de sincronía con lo que está sucediendo dentro del complejo molecular, "Dice Khalil.

Capturando el baile

El equipo pudo analizar e interpretar los resultados experimentales mediante simulaciones moleculares. El físico Niri Govind y el químico computacional Amity Andersen de PNNL contribuyeron a estas simulaciones con NWChem, un paquete de software de química computacional de código abierto desarrollado por PNNL.

Govind dice:"La combinación de experimento y simulación molecular fue crucial para comprender la danza acoplada que se produce durante la transferencia ultrarrápida de electrones entre los átomos de metal y las moléculas de agua circundantes".

Para dar seguimiento, los investigadores esperan realizar experimentos con otros solventes para ver cómo afectan la transferencia de electrones.

"La meta, "Biasin dice, "es aprender lo suficiente a escala atómica para que podamos hacer predicciones y aprender a ejercer algún nivel de control sobre las transferencias de electrones y otras reacciones químicas importantes".