PCET: Επιστήμονες κατέγραψαν για πρώτη φορά την αναδιοργάνωση του νερού σε μοριακό επίπεδο

Ερευνητική ομάδα με επικεφαλής το Εθνικό Εργαστήριο Pacific Northwest (PNNL) των ΗΠΑ, σε συνεργασία με το SLAC National Accelerator Laboratory, πέτυχε να καταγράψει στιγμιότυπα της συντονισμένης μεταφοράς πρωτονίων και ηλεκτρονίων, καθώς και της αναδιάταξης των μορίων του νερού που τα περιβάλλουν. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Nature Communications.

Ο μηχανισμός PCET και η πρόκληση

Η μεταφορά ηλεκτρονίων σε συνδυασμό με πρωτόνια (PCET) αποτελεί θεμελιώδη διαδικασία στη φύση, καθοριστική για τη φωτοσύνθεση στα φυτά και τον μεταβολισμό της τροφής στους οργανισμούς. Επιτρέπει στα μόρια να παρακάμπτουν ενεργοβόρα ενδιάμεσα στάδια, καθιστώντας τις αντιδράσεις ταχύτερες και αποδοτικότερες.

Ωστόσο, η ταχύτητα της μεταφοράς και η ασθενής αλληλεπίδραση των πρωτονίων με τις ακτίνες Χ καθιστούσαν δύσκολη την άμεση παρατήρηση της αλληλουχίας των γεγονότων.

Συνδυασμός τεχνικών για την αποκάλυψη του φαινομένου

Για την υπέρβαση των εμποδίων, οι ερευνητές μελέτησαν ένα σύμπλοκο ρουθηνίου σε οξινό περιβάλλον, το οποίο απορροφά το φως και προσλαμβάνει ένα πρωτόνιο χωρίς επιπλέον πολύπλοκες δομικές παραμορφώσεις.

• Φασματοσκοπία απορρόφησης ακτινών Χ (chemRIXS): Αποκάλυψε τη μετακίνηση των ηλεκτρονίων μεταξύ συγκεκριμένων μοριακών θέσεων.
• Σκέδαση ακτινών Χ με χρονική διακριτική ικανότητα (XCS): Κατέγραψε την αναδιάταξη των ατόμων και τη χωρική αναδιοργάνωση του δικτύου μορίων του νερού.
• Θεωρητικά μοντέλα & προσομοιώσεις: Χρησιμοποιήθηκαν υπολογισμοί συναρτησιακού πυκνότητας (DFT) και μοριακής δυναμικής για την ερμηνεία των πειραματικών δεδομένων.

Τα ευρήματα και η σημασία τους

Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι η πρόσληψη πρωτονίου ανασχηματίζει την ηλεκτρονιακή δομή του μορίου σε συγκεκριμένα σημεία, ενώ ταυτόχρονα προκαλεί μια συνολική αναδιάταξη στο περιβάλλον του διαλύτη (νερό).

Παρόλο που το πρωτόνιο δεν αποτυπώνεται άμεσα λόγω χαμηλής ηλεκτρονιακής πυκνότητας, ο συνδυασμός πειραματικών μετρήσεων και θεωρητικών υπολογισμών προσφέρει μια πλήρη εικόνα της αλληλεπίδρασης. Η νέα αυτή πολυτροπική μέθοδος ανοίγει τον δρόμο για τον ακριβέστερο σχεδιασμό αποτελεσματικότερων καταλυτών, κυψελών καυσίμου και μπαταρίων ροής.