Природа скрывала этот механизм. Ученые впервые зафиксировали сверхбыстрое взаимодействие протонов и электронов
Ученые впервые зафиксировали сверхбыструю передачу энергии с участием протонов и электронов. Это открытие раскрывает секреты природного фотосинтеза и поможет создать новые аккумуляторы и катализаторы.
Международная группа исследователей из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США, лаборатории SLAC и ведущих университетов совершила прорыв в понимании того, как природа передает энергию. Некоторые из важнейших реакций, лежащих в основе фотосинтеза и преобразования энергии, зависят от скоординированного движения заряженных частиц. Однако раньше наблюдать за ними в реальном времени было практически невозможно из-за колоссальной скорости процессов.
В центре внимания ученых оказалось взаимное перемещение положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов. Когда эти частицы движутся слаженно, молекулы обходят промежуточные энергозатратные стадии, делая реакцию невероятно быстрой и эффективной. Растения используют этот механизм для возобновляемого поглощения солнечного света, а животные для превращения пищи в энергию. Исследователи стремились выяснить, как именно изменения в электронной структуре молекулы, поступление протона и окружающая среда влияют друг на друга.
Несмотря на десятилетия изучений, ни один эксперимент раньше не мог зафиксировать этот процесс в комплексе. Благодаря передовым рентгеновским методам на источнике когерентного света Linac (LCLS) в сочетании с квантово-химическими расчетами ученым удалось получить беспрецедентную детализацию. Команда объединила сверхбыструю рентгеновскую спектроскопию и рассеивание, чтобы показать, как изменяется электронная структура на определенных участках молекулы при получении протона, тогда как среда вокруг мгновенно реорганизуется.
Экспериментальный физик и химик Элиза Биасин отметила, что это первый случай, когда удалось увидеть общую эволюцию молекул и их окружения во время фундаментальных химических превращений. Для чистоты эксперимента ученые выбрали специальное соединение на основе рутения, которое поглощает свет и захватывает протон в кислых условиях без лишних осложнений сигнала.
Хотя сам протон за неимением электронов непосредственно не визуализируется рентгеновским излучением, исследователи смогли сделать точные выводы через локальную и глобальную перестройку водных сетей. Исследователи подчеркивают, что полученный методологический фундамент открывает путь к разработке более совершенных проточных батарей, новых топливных элементов и высокоэффективных катализаторов будущего.