El agua, cuna de la vida en la Tierra, no es sólo un telón de fondo pasivo sino que participa activamente en el ballet químico de la vida. Un elemento central de esta danza es el comportamiento de los electrones, particularmente durante un proceso conocido como transferencia de carga al solvente (CTTS).

CTTS es como una danza microscópica donde un electrón de algo disuelto en agua, como la sal, salta y se une al agua misma. El proceso crea un electrón ahora "hidratado", que es un elemento clave de muchas reacciones acuosas, como las que subyacen a la vida misma. En consecuencia, CTTS es esencial para comprender cómo se mueven los electrones en soluciones.

En un nuevo estudio de la EPFL publicado en Nature Communications , los investigadores Jinggang Lan, Majed Chergui y Alfredo Pasquarello han estudiado las intrincadas interacciones entre los electrones y sus entornos disolventes.

El trabajo fue concebido y llevado a cabo principalmente en EPFL, con contribuciones finales de Jinggang Lan al aceptar una beca postdoctoral en el Centro Simons de Química Física Computacional de la Universidad de Nueva York.

Al observar el proceso CTTS, los investigadores visualizaron meticulosamente la interacción dinámica entre el electrón que se escapa y las moléculas de agua polarizadas que lo rodean, lo que marca un salto significativo en nuestra comprensión de interacciones tan complejas.

El equipo utilizó yoduro disuelto en agua (yoduro acuoso), porque facilita la comprensión de cómo se mueven los electrones hacia el agua circundante. El yoduro, como la sal de mesa, no tiene movimientos internos complejos, lo que hace que su estudio sea más sencillo. Esto permitió a los científicos observar cómo el yoduro puede liberar rápidamente un electrón al agua circundante, un proceso influenciado por la disposición de las moléculas de agua alrededor del yoduro.

Para estudiar el proceso CTTS, los investigadores utilizaron dinámica molecular ab initio, una técnica sofisticada que simula el comportamiento de las moléculas en una computadora calculando interacciones y movimientos atómicos a partir de principios físicos fundamentales utilizando la mecánica cuántica.

"Ab initio" significa "desde el principio" en latín, lo que indica que este método parte de principios físicos fundamentales, lo que permite a los científicos predecir con precisión cómo evolucionan las moléculas y los materiales a lo largo del tiempo sin depender de datos empíricos sobre las interacciones entre partículas.

Combinando el enfoque ab initio con sofisticadas técnicas de aprendizaje automático, los científicos pudieron visualizar y analizar el proceso CTTS con un detalle sin precedentes, rastreando el viaje de un electrón desde su unión a un ion yoduro hasta su solvatación, es decir, estar rodeado y estabilizado por moléculas de agua. .

El estudio reveló que CTTS implica una serie de estados distintos, cada uno caracterizado por la distancia entre el electrón y el núcleo de yodo:desde estar estrechamente asociado con el átomo de yodo (estado de par de contacto) hasta separarse en el disolvente (estado separado por disolvente). ), y finalmente queda completamente solvatado como un electrón hidratado.

"El avance se sitúa principalmente en el nivel fundamental", afirma Pasquarello. "El mecanismo descrito implica una interacción sutil entre la excitación electrónica y los efectos de polarización iónica, que producen una secuencia de configuraciones reveladas por nuestras simulaciones."

Pero arrojar luz sobre los CTTS también podría tener implicaciones para una amplia gama de aplicaciones que implican reacciones de transferencia de carga y energía. Comprender cómo interactúan los electrones con su entorno a un nivel tan fundamental podría ser clave para desarrollar sistemas de conversión de energía solar más eficientes, mejorar las técnicas de fotocatálisis e incluso avanzar en nuestro conocimiento de la ciencia de los materiales y los procesos ambientales.

"Comprender la transferencia de carga al disolvente proporciona información sobre el comportamiento de la energía y los electrones en las reacciones químicas, influyendo en una variedad de actividades biológicas naturales hasta la tecnología utilizada en la conversión de energía", dice Lan.