Речь идёт о протон-сопряжённом переносе электрона, или PCET. За сложным названием скрывается один из базовых способов передачи энергии в природе: электрон и положительно заряженный протон перемещаются согласованно, позволяя молекулам обходить энергетически дорогие промежуточные состояния.
Именно такие процессы участвуют в фотосинтезе, работе ферментов и биологическом преобразовании энергии. Они же интересны разработчикам искусственного фотосинтеза, катализаторов, топливных элементов и новых систем хранения энергии.
Команда Pacific Northwest National Laboratory и SLAC National Accelerator Laboratory изучала модельную молекулу на основе рутения, растворённую в воде. Сначала короткая вспышка света запускала перенос электрона внутри молекулы. Затем примерно через 460 пикосекунд — меньше чем за полмиллиардной доли секунды — к одному из атомов азота присоединялся протон.
Но исследователей интересовала не только сама молекула.
Вода вокруг неё тоже участвовала в процессе.
При переносе заряда менялась электронная структура молекулы, а молекулы воды в её ближайшем окружении перестраивали сеть водородных связей. Там, где прежде вода была ориентирована одним образом относительно атома азота, после присоединения протона возникала новая конфигурация.
Увидеть все эти изменения одновременно удалось благодаря сочетанию нескольких методов: фемтосекундной оптической спектроскопии, сверхбыстрой рентгеновской спектроскопии и временно-разрешённого рентгеновского рассеяния на установке Linac Coherent Light Source в SLAC.
Каждый метод показывал свою часть происходящего. Один отслеживал электронные изменения, другой — конкретный атом, третий — перестройку структуры раствора. Вместе они позволили собрать последовательность реакции почти как фильм.
Это важно потому, что химическая реакция в растворе никогда не происходит в одиночестве. Среда вокруг молекулы способна ускорять или тормозить перенос заряда, стабилизировать промежуточные состояния и фактически определять, насколько эффективно будет передаваться энергия.
До сих пор такие процессы часто изучали по отдельным признакам — скорости реакции, изменениям спектра или конечному продукту. Теперь появилась возможность одновременно увидеть и сам перенос, и реакцию окружающей воды.
А значит, вместо того чтобы только наблюдать за тем, как природа организует эффективную передачу энергии, исследователи постепенно получают возможность понять её конструкцию.
И однажды — попробовать собрать такую систему самим.
