Los fotocatalizadores, materiales que desencadenan reacciones químicas cuando son golpeados por la luz, son importantes en una serie de procesos naturales e industriales. desde producir hidrógeno para combustible hasta permitir la fotosíntesis.

Ahora, un equipo internacional ha utilizado un láser de rayos X en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía para obtener una visión increíblemente detallada de lo que sucede con la estructura de un fotocatalizador modelo cuando absorbe luz.

Los investigadores utilizaron pulsos de láser extremadamente rápidos para observar el cambio de estructura y ver las moléculas vibrando. sonando "como un conjunto de campanas, "dice el autor principal Kristoffer Haldrup, científico senior de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU). Este estudio allana el camino para una investigación más profunda de estos procesos, lo que podría ayudar en el diseño de mejores catalizadores para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno para tecnologías energéticas de próxima generación.

"Si podemos comprender estos procesos, entonces podemos aplicar ese conocimiento al desarrollo de sistemas moleculares que hacen trucos como ese con una eficiencia muy alta, "Dice Haldrup.

Los resultados publicados la semana pasada en Cartas de revisión física .

Conjunto molecular

El fotocatalizador a base de platino que estudiaron, llamado PtPOP, es una de una clase de moléculas que separa los átomos de hidrógeno de varias moléculas de hidrocarburos cuando es golpeado por la luz, Haldrup dice:"Es un banco de pruebas, un patio de recreo, si lo desea, para estudiar la fotocatálisis mientras ocurre ".

En el láser de rayos X de SLAC, la fuente de luz coherente Linac (LCLS), los investigadores usaron un láser óptico para excitar las moléculas que contienen platino y luego usaron rayos X para ver cómo estas moléculas cambiaban su estructura después de absorber los fotones visibles. Los pulsos de láser de rayos X extremadamente cortos les permitieron ver el cambio de estructura, Dice Haldrup.

Los investigadores utilizaron un truco para "congelar" selectivamente algunas de las moléculas en su movimiento vibratorio, y luego usó los pulsos de rayos X ultracortos para capturar cómo todo el conjunto de moléculas evolucionó en el tiempo después de ser golpeado por la luz. Al tomar estas imágenes en diferentes momentos, pueden unir los fotogramas individuales como una película de cuadro por cuadro. Esto les proporcionó información detallada sobre las moléculas que no fueron alcanzadas por la luz láser, ofreciendo información sobre los cambios ultrarrápidos que ocurren en las moléculas cuando están en su energía más baja.

Nadando en armonía

Incluso antes de que la luz golpee las moléculas, todos están vibrando pero desincronizados entre sí. Kelly Gaffney, coautor de este artículo y director de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource de SLAC, compara este movimiento con los nadadores en una piscina, pisando furiosamente el agua.

Cuando el láser óptico los golpea, algunas de las moléculas afectadas por la luz comienzan a moverse al unísono y con mayor intensidad, cambiando de esa pisada discordante a golpes sincronizados. Aunque este fenómeno se ha visto antes, hasta ahora era difícil de cuantificar.

"Esta investigación demuestra claramente la capacidad de los rayos X para cuantificar cómo la excitación cambia las moléculas, "Dice Gaffney." No solo podemos decir que está excitado vibratoriamente, pero también podemos cuantificarlo y decir qué átomos se mueven y cuánto ".

Química predictiva

Para dar seguimiento a este estudio, Los investigadores están investigando cómo cambian las estructuras de las moléculas de PtPOP cuando participan en reacciones químicas. También esperan usar la información que obtuvieron en este estudio para estudiar directamente cómo se forman y rompen los enlaces químicos en sistemas moleculares similares.

"Podemos investigar los conceptos básicos de la fotoquímica, a saber, cómo la excitación de los electrones en el sistema conduce a algunos cambios muy específicos en la estructura molecular general, "dice Tim Brandt van Driel, un coautor de DTU que ahora es científico en LCLS. "Esto nos permite estudiar cómo se almacena y libera la energía, lo cual es importante para comprender los procesos que también están en el corazón de la fotosíntesis y el sistema visual ".

Una mejor comprensión de estos procesos podría ser clave para diseñar mejores materiales y sistemas con funciones útiles.

"Gran parte del conocimiento químico se racionaliza después de los hechos. No es predictivo en absoluto, "Dice Gaffney." Lo ves y luego explicas por qué sucedió. Estamos tratando de trasladar el diseño de materiales químicos útiles a un espacio más predictivo, y eso requiere un conocimiento preciso y detallado de lo que sucede en los materiales que ya funcionan ".