Fotokatalysatorer – material som utlöser kemiska reaktioner när de träffas av ljus – är viktiga i ett antal naturliga och industriella processer, från att producera väte för bränsle till att möjliggöra fotosyntes.

Nu har ett internationellt team använt en röntgenlaser vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory för att få en otroligt detaljerad titt på vad som händer med strukturen hos en modellfotokatalysator när den absorberar ljus.

Forskarna använde extremt snabba laserpulser för att se strukturen förändras och se molekylerna vibrera, ringer "som en ensemble av klockor, säger huvudförfattaren Kristoffer Haldrup, senior forskare vid Danmarks Tekniske Universitet (DTU). Denna studie banar väg för en djupare undersökning av dessa processer, som skulle kunna hjälpa till med utformningen av bättre katalysatorer för att dela vatten till väte och syre för nästa generations energiteknik.

"Om vi ​​kan förstå sådana processer, då kan vi tillämpa den förståelsen på att utveckla molekylära system som gör sådana tricks med mycket hög effektivitet, säger Haldrup.

Resultaten publicerades förra veckan i Fysiska granskningsbrev .

Molekylär ensemble

Den platinabaserade fotokatalysatorn de studerade, kallas PtPOP, är en av en klass av molekyler som saxar bort väteatomer från olika kolvätemolekyler när de träffas av ljus, Haldrup säger:"Det är en testbädd – en lekplats, om du vill – för att du studerar fotokatalys när det händer."

På SLAC:s röntgenlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS), forskarna använde en optisk laser för att excitera de platinahaltiga molekylerna och använde sedan röntgenstrålar för att se hur dessa molekyler ändrade sin struktur efter att ha absorberat de synliga fotonerna. De extremt korta röntgenlaserpulserna gjorde att de kunde se strukturen förändras, säger Haldrup.

Forskarna använde ett knep för att selektivt "frysa" några av molekylerna i deras vibrationsrörelse, och använde sedan de ultrakorta röntgenpulserna för att fånga hur hela ensemblen av molekyler utvecklades i tiden efter att ha träffats med ljus. Genom att ta dessa bilder vid olika tidpunkter kan de sy ihop de enskilda bildrutorna som en stop-motion-film. Detta gav dem detaljerad information om molekyler som inte träffades av laserljuset, ger insikt i de ultrasnabba förändringar som sker i molekylerna när de har sin lägsta energi.

Simma i harmoni

Redan innan ljuset träffar molekylerna, de vibrerar alla men är osynkroniserade med varandra. Kelly Gaffney, medförfattare på detta papper och chef för SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, liknar denna rörelse vid simmare i en pool, rasande trampar vatten.

När den optiska lasern träffar dem, några av de molekyler som påverkas av ljuset börjar röra sig unisont och med större intensitet, byte från det disharmoniska slitbanan till synkroniserade slag. Även om detta fenomen har setts tidigare, tills nu var det svårt att kvantifiera.

"Denna forskning visar tydligt röntgenstrålningens förmåga att kvantifiera hur excitation förändrar molekylerna, " säger Gaffney. "Vi kan inte bara säga att den är vibrationellt upphetsad, men vi kan också kvantifiera det och säga vilka atomer som rör sig och med hur mycket."

Prediktiv kemi

För att följa upp denna studie, forskarna undersöker hur strukturerna hos PtPOP-molekyler förändras när de deltar i kemiska reaktioner. De hoppas också kunna använda informationen de fick i denna studie för att direkt studera hur kemiska bindningar skapas och bryts i liknande molekylära system.

"Vi får undersöka själva grunderna i fotokemi, nämligen hur spännande elektronerna i systemet leder till några mycket specifika förändringar i den övergripande molekylstrukturen, " säger Tim Brandt van Driel, en medförfattare från DTU som nu är forskare vid LCLS. "Detta låter oss studera hur energi lagras och frigörs, vilket är viktigt för att förstå processer som också är kärnan i fotosyntesen och det visuella systemet."

En bättre förståelse för dessa processer kan vara nyckeln till att designa bättre material och system med användbara funktioner.

"Mycket kemisk förståelse rationaliseras i efterhand. Det är inte alls förutsägande, " säger Gaffney. "Du ser det och sedan förklarar du varför det hände. Vi försöker flytta utformningen av användbara kemiska material till ett mer förutsägbart utrymme, och det kräver noggrann detaljerad kunskap om vad som händer i de material som redan fungerar."