As moléculas que absorvem luz podem transformar fótons em eletricidade ou combustíveis, transportando elétrons de um átomo para outro. Em muitos casos, as moléculas são rodeadas por um solvente - água, no caso da fotossíntese - e estudos mostraram que o solvente desempenha um papel importante na transferência de elétrons. Mas medir os movimentos das moléculas de solvente para descobrir como elas influenciam o processo tem sido difícil.

Em um novo estudo, os pesquisadores capturaram os movimentos rápidos das moléculas de solvente que impactam a transferência de elétrons movida pela luz em um complexo molecular pela primeira vez - informações que podem ajudar os pesquisadores a aprender como controlar o fluxo de energia nas moléculas, potencialmente levando a fontes de energia limpa mais eficientes.

"É um desafio de longa data em química entender, em um nível microscópico, o papel crucial que os solventes desempenham nas reações químicas, "diz Elisa Biasin, pesquisador associado do Stanford PULSE Institute do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia. "Até recentemente, não tínhamos ferramentas que fossem diretamente sensíveis ao movimento atômico em escalas de tempo muito rápidas para investigar isso."

Uma equipe de pesquisa liderada por Munira Khalil, um professor de química da Universidade de Washington, com colaboradores do SLAC e do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do DOE superou esse obstáculo usando uma combinação de técnicas de raios-X e simulações. Eles publicaram seus resultados em Química da Natureza .

Movimentos sincronizados

A equipe se concentrou em um complexo molecular contendo dois átomos de metal que podem trocar um elétron entre eles. Este sistema serve como uma plataforma para estudar as reações de transferência de elétrons. Primeiro, eles dissolveram o complexo em água, onde formou fortes ligações de hidrogênio com as moléculas de água circundantes. Eles deram início ao processo de transferência de elétrons entre os átomos de metal usando um pulso de laser óptico. Em seguida, eles espalharam os pulsos de raios-X da Linac Coherent Light Source (LCLS) da SLAC para fora da amostra para monitorar o movimento dos átomos no complexo e as moléculas de solvente circundantes durante a transferência de elétrons.

Os pulsos ultracurtos de raios-X, apenas milionésimos de um bilionésimo de segundo de duração, capturou os movimentos sincronizados das moléculas de água que estavam ligadas ao complexo. À medida que um elétron é transferido de um átomo de metal para o outro, as ligações de hidrogênio enfraqueceram e as moléculas de solvente se afastaram do complexo. Quando o elétron retornou ao primeiro átomo de metal, as moléculas do solvente oscilaram de volta à sua posição original.

"Esta é a primeira vez que conseguimos capturar experimentalmente um movimento específico de um solvente que está em uma espécie de travamento com o que está acontecendo dentro do complexo molecular, "Khalil diz.

Capturando a dança

A equipe foi capaz de analisar e interpretar os resultados experimentais usando simulações moleculares. O físico Niri Govind e o químico computacional Amity Andersen do PNNL contribuíram para essas simulações com o NWChem, um pacote de software de química computacional desenvolvido pelo PNNL de código aberto.

Govind diz, "A combinação de experimento e simulação molecular foi crucial para entender a dança acoplada que ocorre durante a transferência ultrarrápida de elétrons entre os átomos de metal e as moléculas de água ao redor."

Para acompanhar, os pesquisadores esperam conduzir experimentos com outros solventes para ver como eles afetam a transferência de elétrons.

"O objetivo, "Biasin diz, "é aprender o suficiente na escala atômica para que possamos fazer previsões e aprender como exercer algum nível de controle sobre as transferências de elétrons e outras reações químicas importantes."