Ett forskningsprojekt vid EPFL har lyckats avkoda elektronernas komplexa dans i vatten, ett stort steg för att förstå en kritisk process för många kemiska fenomen, och det kan vara det första steget för att förbättra energiomvandlingstekniken.
Vatten, livets vagga på jorden, är inte bara en passiv bakgrund utan deltar aktivt i livets kemiska balett. Centralt för denna dans är elektronernas beteende, särskilt under en process som kallas laddningsöverföring till lösningsmedel (CTTS).
CTTS är som en mikroskopisk dans där en elektron från något löst i vatten, som salt, hoppar ut och ansluter sig till själva vattnet. Processen skapar en nu "hydratiserad" elektron, som är ett nyckelelement i många vattenhaltiga reaktioner, som de som ligger bakom själva livet. Följaktligen är CTTS väsentligt för att förstå hur elektroner rör sig i lösningar.
I en ny EPFL-studie publicerad i Nature Communications , har forskarna Jinggang Lan, Majed Chergui och Alfredo Pasquarello studerat de invecklade interaktionerna mellan elektroner och deras lösningsmedelsmiljöer.
Arbetet utformades och utfördes i första hand vid EPFL, med slutförande av bidrag från Jinggang Lan efter att han tog på sig ett postdoktoralt stipendium vid Simons Center for Computational Physical Chemistry vid New York University.
När vi tittade på CTTS-processen, visualiserade forskarna noggrant det dynamiska samspelet mellan den flyktande elektronen och de polariserande vattenmolekylerna som omger den, vilket markerade ett betydande steg i vår förståelse av sådana komplexa interaktioner.
Teamet använde jodid löst i vatten (vattenhaltig jodid), eftersom det gör det lättare att förstå hur elektroner rör sig till det omgivande vattnet. Jodid, som bordssalt, har inga komplexa inre rörelser, vilket gör det enklare att studera. Detta gjorde det möjligt för forskarna att observera hur jodid snabbt kan släppa ut en elektron i det omgivande vattnet, en process som påverkas av arrangemanget av vattenmolekyler runt jodiden.
För att studera CTTS-processen använde forskarna ab initio molekylär dynamik, en sofistikerad teknik som simulerar beteendet hos molekyler i en dator genom att beräkna atomära interaktioner och rörelser utifrån grundläggande fysikaliska principer med hjälp av kvantmekanik.
"Ab initio" betyder "från början" på latin, vilket indikerar att denna metod utgår från grundläggande fysikaliska principer, vilket gör det möjligt för forskare att exakt förutsäga hur molekyler och material utvecklas över tiden utan att förlita sig på empiriska data för interaktioner mellan partiklar.
Genom att kombinera ab initio-metoden med sofistikerade maskininlärningstekniker kunde forskarna visualisera och analysera CTTS-processen i oöverträffad detalj, spåra en elektrons resa från att vara fäst vid en jodidjon till att bli solvatiserad – omgiven och stabiliserad av vattenmolekyler .
Studien avslöjade att CTTS involverar en serie distinkta tillstånd, vart och ett kännetecknat av avståndet mellan elektronen och jodkärnan:från att vara nära associerad med jodatomen (kontaktpartillstånd) till att separera i lösningsmedlet (lösningsmedelseparerat tillstånd) ), och slutligen blir helt solvatiserad som en hydratiserad elektron.
"Framgången vilar mestadels på den grundläggande nivån", säger Pasquarello. "Den beskrivna mekanismen involverar ett subtilt samspel mellan elektronisk excitation och joniska polarisationseffekter, som producerar en sekvens av konfigurationer som avslöjas av våra simuleringar."
Men att kasta ljus över CTTS kan också få konsekvenser för ett brett spektrum av tillämpningar som involverar laddnings- och energiöverföringsreaktioner. Att förstå hur elektroner interagerar med sin omgivning på en sådan grundläggande nivå kan vara nyckeln till att utveckla effektivare system för omvandling av solenergi, förbättra fotokatalystekniker och till och med förbättra vår kunskap om materialvetenskap och miljöprocesser.
"Att förstå laddningsöverföring till lösningsmedel ger insikter i beteendet hos energi och elektroner i kemiska reaktioner, vilket påverkar en rad från naturliga biologiska aktiviteter till tekniken som används vid energiomvandling", säger Lan.
Mer information: Jinggang Lan et al, Dynamics of the charge transfer to solvent process in aqueous jodide, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46772-0
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
