Ett internationellt team har gjort ett genombrott på BESSY II. För första gången, de lyckades undersöka elektroniska tillstånd hos en övergångsmetall i detalj och dra tillförlitliga slutsatser om deras katalytiska effekt från data. Dessa resultat är användbara för utvecklingen av framtida tillämpningar av katalytiska övergångsmetallsystem. Verket har nu publicerats i Kemivetenskap , tidskriften Open Access från Royal Society of Chemistry.

Många viktiga processer i naturen är beroende av katalysatorer, som är atomer eller molekyler som underlättar en reaktion, men kommer oförändrade ur det själva. Ett exempel är fotosyntes i växter, vilket endast är möjligt med hjälp av ett proteinkomplex som består av fyra manganatomställen i dess centrum. Redoxreaktioner, som de kallas, spelar ofta en avgörande roll i denna typ av processer. Reaktanterna reduceras genom upptag av elektroner, eller oxideras genom att de frigörs. Katalytiska redoxprocesser i natur och industri lyckas ofta bara tack vare lämpliga katalysatorer, där övergångsmetaller tillhandahåller en viktig funktion.

Dessa övergångsmetaller, och i synnerhet deras redox- eller oxidationstillstånd, kan undersökas särskilt väl med mjuka röntgenstrålar, eftersom elektroniska tillstånd kan mätas exakt med röntgenspektroskopi. I det som kallas L-kantabsorptionsspektroskopi, elektroner från 2p-skalet av övergångsmetallen exciteras så att de upptar fria d-orbitaler. En energiskillnad kan bestämmas från röntgenabsorptionsspektrumet som reflekterar oxidationstillståndet för molekylen eller katalysatorn på ett känt sätt. Dock, exakt där elektronerna absorberas eller frigörs av katalysatorn under en redoxreaktion, dvs exakt hur laddningstätheten i katalysatorn varierar med oxidationstillståndet, var tidigare svårt att verifiera. Detta berodde främst på bristen på tillförlitliga metoder för den teoretiska beskrivningen av laddningstätheter i katalysatormolekyler i mark och exciterade tillstånd, och svårigheten att få tillförlitliga experimentella data. Om övergångsmetallerna finns i större komplexa organiska molekylkomplex, som de vanligtvis är för riktiga redoxkatalysatorer, deras studier blir extremt svåra, eftersom röntgenstrålarna leder till skador i provet.

Nu, för första gången, ett internationellt team från Helmholtz-Zentrum Berlin, Uppsala universitet (Sverige), Lawrence Berkeley National Laboratory i Berkeley (USA), Manchester University (Storbritannien), och SLAC National Accelerator Laboratory vid Stanford University (USA) har lyckats studera manganatomer i olika oxidationstillstånd - dvs. under olika stadier av oxidation – i olika föreningar genom i operandomätningar vid BESSY II. För att åstadkomma detta, Philippe Wernet och hans team introducerade proverna i olika lösningsmedel, undersökte strålar av dessa vätskor med röntgenstrålar, och jämförde deras data mot nya beräkningar från Marcus Lundbergs grupp vid Uppsala universitet. "Vi lyckades avgöra hur - och framför allt varför - röntgenabsorptionsspektra skiftar med oxidationstillstånden, " säger teoretikern Marcus Lundberg. Doktoranderna Markus Kubin (HZB) med sin experimentella expertis och Meiyuan Guo (Uppsala University) med sin teoretiska expertis återspeglar studiens tvärvetenskapliga tillvägagångssätt och de bidrog lika mycket som förstaförfattare till artikeln.

"Vi kombinerade en ny experimentell uppställning med kvantkemiska beräkningar. Enligt vår åsikt, vi har uppnått ett genombrott i förståelsen av organometalliska katalysatorer, "säger Wernet." För första gången, vi kunde empiriskt testa och validera beräkningar för oxidation och reduktion som inte sker lokalt på metallen, utan istället på hela molekylen."

"Dessa fynd är en hörnsten för framtida arbete i mer komplexa system, som tetramanganklustret i fotosyntesen. De kommer att underlätta ny förståelse av redoxprocesser för mangankatalysatorn i Photosystem II proteinkomplex, säger Junko Yano, senior forskare för Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging Division (MBIB) och Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) vid Lawrence Berkeley National Laboratory, som bedriver detaljerad forskning om fotosyntes.