Ljusabsorberande molekyler kan omvandla fotoner till elektricitet eller bränslen genom att flytta elektroner från en atom till en annan. I många fall är molekylerna omgivna av ett lösningsmedel - vatten, när det gäller fotosyntes – och studier har visat att lösningsmedlet spelar en viktig roll vid elektronöverföring. Men det har varit svårt att mäta lösningsmedelsmolekylernas rörelser för att ta reda på hur de påverkar processen.

I en ny studie, forskare har fångat de snabba rörelserna hos lösningsmedelsmolekyler som påverkar ljusdriven elektronöverföring i ett molekylärt komplex för första gången – information som kan hjälpa forskare att lära sig hur man kontrollerar energiflödet i molekyler, potentiellt leda till effektivare rena energikällor.

"Det är en långvarig utmaning inom kemi att förstå, på mikroskopisk nivå, den avgörande roll lösningsmedel spelar i kemiska reaktioner, säger Elisa Biasin, en forskarassistent vid Stanford PULSE Institute vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory. "Tills nyligen hade vi inte verktyg som var direkt känsliga för atomrörelser på mycket snabba tidsskalor för att undersöka detta."

En forskargrupp ledd av Munira Khalil, en kemiprofessor vid University of Washington, med samarbetspartners vid SLAC och DOE:s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) övervann detta hinder med en kombination av röntgentekniker och simuleringar. De publicerade sina resultat i Naturkemi .

Synkroniserade rörelser

Teamet fokuserade på ett molekylärt komplex som innehåller två metallatomer som kan utbyta en elektron mellan dem. Detta system fungerar som en plattform för att studera elektronöverföringsreaktioner. Först löste de komplexet i vatten, där det bildade starka vätebindningar med omgivande vattenmolekyler. De satte igång elektronöverföringsprocessen mellan metallatomerna med hjälp av en optisk laserpuls. Sedan spred de röntgenpulser från SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) från provet för att övervaka rörelsen av atomerna i komplexet och de omgivande lösningsmedelsmolekylerna under elektronöverföringen.

De ultrakorta röntgenpulserna, bara miljondelar av en miljarddels sekund lång, fångade de synkroniserade rörelserna av vattenmolekylerna som var bundna till komplexet. Som en elektron överförd från en metallatom till en annan, vätebindningarna försvagades och lösningsmedelsmolekylerna flyttade bort från komplexet. När elektronen återvände till den första metallatomen, lösningsmedelsmolekylerna oscillerade tillbaka till sin ursprungliga position.

"Det här är första gången som vi experimentellt har kunnat fånga en specifik rörelse av ett lösningsmedel som är i den här typen av låsning med vad som händer inuti det molekylära komplexet, " säger Khalil.

Att fånga dansen

Teamet kunde analysera och tolka de experimentella resultaten med hjälp av molekylära simuleringar. Fysikern Niri Govind och beräkningskemisten Amity Andersen från PNNL bidrog till dessa simuleringar med NWChem, ett PNNL-utvecklat mjukvarupaket för beräkningskemi med öppen källkod.

Govind säger, "Kombinationen av experiment och molekylär simulering var avgörande för att förstå den kopplade dansen som uppstår under ultrasnabb elektronöverföring mellan metallatomerna och de omgivande vattenmolekylerna."

Att följa upp, forskarna hoppas kunna genomföra experiment med andra lösningsmedel för att se hur de påverkar elektronöverföringen.

"Målet, "Basin säger, "är att lära oss tillräckligt på atomär skala för att vi kan göra förutsägelser och lära oss hur man utövar en viss nivå av kontroll på elektronöverföringar och andra viktiga kemiska reaktioner."