Рентген впервые показал согласованное движение электронов и протонов
Структурно чувствительные снимки светозапускаемой реакции, в которой электроны и протоны двигаются согласованно, получили впервые. Работу выполнили сотрудники Национальной лаборатории Тихоокеанского Северо-Запада (PNNL) Минэнерго США вместе с учёными ускорительной лаборатории SLAC и нескольких университетов. Результаты опубликованы в Nature Communications. Эту информацию сообщает издание Science XXI.
Учёные разбирали PCET — процесс, при котором перемещение электрона сопровождается перемещением протона. Подобные реакции лежат в основе фотосинтеза, превращения энергии в живых организмах и катализа. Их эффективность объясняют совместным движением частиц: молекуле не приходится проходить промежуточные стадии, требующие лишних затрат энергии.
В опытах задействовали хорошо изученную молекулу на базе рутения. Под действием света в кислой среде она отбирает протон у раствора вокруг себя, поэтому последовательность превращений удобна для анализа. Соисследователь Кристофер Ларсен из Университета Окленда в Новой Зеландии пояснил: выбранный комплекс не даёт побочных электронных и структурных перестроек, которые могли бы запутать картину рентгеновских сигналов.
Чтобы следить за ходом реакции, совместили две методики — сверхбыструю рентгеновскую спектроскопию поглощения и рентгеновское рассеяние. Измерения вели на установках chemRIXS и XCS источника Linac Coherent Light Source в лаборатории SLAC. Первая техника показала, как электроны переходят между участками молекулы, вторая — как смещаются атомы и перестраиваются молекулы воды рядом. Теоретики Ниранджан Говинд и Амити Андерсен подкрепили данные расчётами по зависящей от времени теории функционала плотности и моделированием молекулярной динамики.
Экспериментальный химик PNNL Элиса Бьясин отметила: электронные изменения, сопряжённые с переносом протона, впервые удалось связать с перестройкой растворителя. По её мнению, это даёт новый способ понять, как молекулы и их окружение меняются совместно при фундаментальных химических превращениях. Локальная перестройка электронной структуры, установили авторы, идёт одновременно с более масштабной реорганизацией водной сети.
Сам протон напрямую увидеть рентгеном не получилось: рассеяние сильнее отражает присутствие атомов, богатых электронами. Вывод о его перемещении сделали по совпадению экспериментальных данных с расчётами. Подход, считают авторы, применим и к более сложным реакциям PCET, а полученные сведения в перспективе помогут создавать эффективные катализаторы, топливные элементы и проточные батареи для преобразования и хранения энергии.
