به گزارش اطلاعات آنلاین، محققان مراحل کلیدی یک واکنش شیمیایی را ثبت کرده‌اند که به طبیعت کمک می‌کند تا انرژی را با راندمان قابل توجهی منتقل کند. پرتوهای ایکس فوق سریع نشان دادند که چگونه تغییرات مربوط به الکترون‌ها و پروتون‌ها ارتباط نزدیکی با بازآرایی مولکول‌های آب اطراف دارند. از آنجا که واکنش‌های مشابه، فتوسنتز و سایر فرآیندهای تبدیل انرژی را هدایت می‌کنند، این تکنیک می‌تواند به دانشمندان در توسعه کاتالیزورها، سلول‌های سوختی و باتری‌های جریانی بهتر کمک کند.
برخی از مهم‌ترین واکنش‌های طبیعت به ذرات باردار مثبت و منفی وابسته هستند که به صورت هماهنگ حرکت می‌کنند. این واکنش‌ها برای فرآیندهایی مانند فتوسنتز، کاتالیز و تبدیل انرژی بیولوژیکی ضروری هستند، اما آنقدر سریع اتفاق می‌افتند که مشاهده آنها بسیار دشوار است.
تیمی به سرپرستی آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام وزارت انرژی، با همکاری محققان آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی SLAC و چندین دانشگاه، اکنون تصاویری از این رویدادها را پس از تحریک آنها توسط نور برخوردی به یک مولکول ثبت کرده‌اند.
این یافته‌ها می‌تواند درک دانشمندان از این واکنش‌ها را عمیق‌تر کند و در نهایت به بهبود باتری‌های جریانی، سلول‌های سوختی و کاتالیزورها کمک کند.
در مرکز این مطالعه، حرکت هماهنگ پروتون‌های با بار مثبت و الکترون‌های با بار منفی قرار دارد. این نوع انتقال انرژی از جمله کارآمدترین روش‌های شناخته شده در طبیعت است. گیاهان از فرآیندهای مرتبط برای جذب انرژی از نور خورشید و تبدیل آن به انرژی شیمیایی ذخیره شده استفاده می‌کنند.
هنگامی که الکترون‌ها و پروتون‌ها به صورت هماهنگ حرکت می‌کنند، مولکول‌ها می‌توانند از مراحل میانی اجتناب کنند که در غیر این صورت به انرژی بیشتری نیاز دارند. این می‌تواند یک واکنش را سریع‌تر و بسیار کارآمدتر کند. محققان بررسی کردند که چگونه تغییرات در ساختار الکترونیکی یک مولکول، ورود یک پروتون و تغییرات در محیط آب اطراف در طول این فرآیند به هم مرتبط هستند.
ثبت یک واکنش در سطح مولکولی
دانشمندان دهه‌هاست که این برهمکنش را مطالعه کرده‌اند، اما هیچ آزمایش قبلی این فرآیند را در یک مطالعه واحد با حساسیت موضعی و ساختاری ثبت نکرده بود. تکنیک‌های پیشرفته اشعه ایکس در منبع نور همدوس Linac درSLAC، همراه با محاسبات شیمی کوانتومی پیشرفته و شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، دیدگاهی غیرمعمول و دقیق ارائه دادند.
برای اولین بار با حساسیت ساختاری، محققان توانستند نشان دهند که چگونه ساختار الکترونیکی یک مولکول در مکان‌های خاص با دریافت پروتون تغییر می‌کند، در حالی که محیط آب اطراف آن همزمان سازماندهی مجدد می‌شود.
چرا انتقال الکترون جفت‌شده با پروتون اهمیت دارد
واکنشPCET نقش مهمی در سراسر طبیعت ایفا می‌کند. گیاهان در طول فتوسنتز برای برداشت نور به آن متکی هستند، در حالی که حیوانات از فرآیندهای مرتبط برای تبدیل کارآمد غذا به انرژی استفاده می‌کنند. همچنین در بسیاری از اشکال دیگر تبدیل انرژی بیولوژیکی و شیمیایی نقش دارد.
نتایج نشان می‌دهد که تغییرات موضعی در ساختار الکترونیکی در کنار بازآرایی گسترده‌تر شبکه آب اطراف، همزمان با دریافت پروتون توسط مولکول، رخ می‌دهد.
توانایی بررسی این تغییرات مرتبط در نهایت می‌تواند به محققان کمک کند تا کاتالیزورها، سلول‌های سوختی، باتری‌های جریانی و سایر فناوری‌های کارآمدتر را برای تبدیل و ذخیره انرژی طراحی کنند.
دنبال کردن الکترون‌ها، پروتون‌ها و آب
یکی از چالش‌های اصلی، سرعت است. الکترون‌ها در بازه‌های زمانی بسیار کوتاهی حرکت می‌کنند و پروتون‌ها تقریباً به همان سرعت حرکت می‌کنند. در عین حال، مولکول‌های آب اطراف مولکول‌های واکنش‌دهنده دائماً تغییر می‌کنند و به روش‌هایی که مشاهده مستقیم آنها بسیار دشوار است، سازماندهی مجدد می‌شوند.
آزمایش‌های قبلی می‌توانستند بخش‌های جداگانه‌ای از این فرآیند را ثبت کنند، اما نمی‌توانستند تصویری ترکیبی از تغییرات الکترونیکی درون مولکول و سازماندهی مجدد اطراف آن ارائه دهند.
محققان برای ایجاد سیستمی که تفسیر آن آسان‌تر باشد، یک مولکول مبتنی بر روتنیوم که به خوبی مطالعه شده است را انتخاب کردند. این مولکول نور را جذب می‌کند و در شرایط اسیدی، یک پروتون را از محیط اطراف خود می‌گیرد.
محققان در مرحله بعد از روش‌های توصیف با تفکیک زمانی در دانشگاه ژنو برای شناسایی بهترین شرایط آزمایشگاهی و مقیاس‌های زمانی برای اندازه‌گیری‌های اشعه ایکس استفاده کردند.
این یافته‌ها در Nature Communications منتشر شده است.