Dinâmica CTTS a partir da dinâmica molecular ab initio. a, b estado CTTS; c par de contatos; d com solvente compartilhado; e separado por solvente; f elétron hidratado longe do iodo aquoso (código de cores:roxo para iodo, vermelho para oxigênio, branco para hidrogênio, amarelo para a densidade de buracos do iodo aquoso e azul para a densidade do elétron excitado). Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46772-0 Um projeto de pesquisa na EPFL conseguiu decodificar a complexa dança dos elétrons na água, um passo importante na compreensão de um processo crítico de muitos fenômenos químicos, e que pode ser o primeiro passo para melhorar as tecnologias de conversão de energia.
A água, berço da vida na Terra, não é apenas um pano de fundo passivo, mas participa ativamente no balé químico da vida. Central para esta dança é o comportamento dos elétrons, particularmente durante um processo conhecido como transferência de carga para o solvente (CTTS).
CTTS é como uma dança microscópica onde um elétron de algo dissolvido na água, como o sal, salta e se junta à própria água. O processo cria um elétron agora “hidratado”, que é um elemento-chave de muitas reações aquosas, como as subjacentes à própria vida. Consequentemente, o CTTS é essencial para a compreensão de como os elétrons se movem nas soluções.
Em um novo estudo da EPFL publicado na Nature Communications , os pesquisadores Jinggang Lan, Majed Chergui e Alfredo Pasquarello estudaram as intrincadas interações entre os elétrons e seus ambientes solventes.
O trabalho foi concebido e realizado principalmente na EPFL, com contribuições finais de Jinggang Lan após sua realização de uma bolsa de pós-doutorado no Simons Center for Computational Physical Chemistry da New York University.
Observando o processo CTTS, os investigadores visualizaram meticulosamente a interação dinâmica entre o eletrão que escapa e as moléculas de água polarizadas que o rodeiam, marcando um salto significativo na nossa compreensão de tais interações complexas.
A equipe usou iodeto dissolvido em água (iodeto aquoso), porque facilita a compreensão de como os elétrons se movem para a água circundante. O iodeto, assim como o sal de cozinha, não possui movimentos internos complexos, o que torna seu estudo mais simples. Isto permitiu aos cientistas observar como o iodeto pode libertar rapidamente um eletrão na água circundante, um processo influenciado pela disposição das moléculas de água em torno do iodeto.
Para estudar o processo CTTS, os pesquisadores usaram ab initio a dinâmica molecular, uma técnica sofisticada que simula o comportamento das moléculas em um computador, calculando interações e movimentos atômicos a partir de princípios físicos fundamentais usando a mecânica quântica.
"Ab initio" significa "desde o início" em latim, indicando que este método parte de princípios físicos fundamentais, permitindo aos cientistas prever com precisão como as moléculas e os materiais evoluem ao longo do tempo sem depender de dados empíricos para as interações entre as partículas.
Combinando a abordagem ab initio com técnicas sofisticadas de aprendizado de máquina, os cientistas foram capazes de visualizar e analisar o processo CTTS com detalhes sem precedentes, rastreando a jornada de um elétron desde sua ligação a um íon iodeto até sua solvatação – sendo cercado e estabilizado por moléculas de água. .
O estudo revelou que CTTS envolve uma série de estados distintos, cada um caracterizado pela distância entre o elétron e o núcleo de iodo:desde estar intimamente associado ao átomo de iodo (estado de par de contato), até a separação no solvente (estado separado por solvente). ), e finalmente tornando-se totalmente solvatado como um elétron hidratado.
“O avanço reside principalmente no nível fundamental”, diz Pasquarello. "O mecanismo descrito envolve uma interação sutil entre excitação eletrônica e efeitos de polarização iônica, que produzem uma sequência de configurações reveladas por nossas simulações."
Mas esclarecer o CTTS também pode ter implicações em uma ampla gama de aplicações envolvendo reações de transferência de carga e energia. Compreender como os elétrons interagem com seu ambiente em um nível tão fundamental pode ser a chave para o desenvolvimento de sistemas de conversão de energia solar mais eficientes, melhorando as técnicas de fotocatálise e até mesmo avançando nosso conhecimento da ciência dos materiais e dos processos ambientais.
"Compreender a transferência de carga para o solvente fornece insights sobre o comportamento da energia e dos elétrons nas reações químicas, influenciando uma série de atividades biológicas naturais até a tecnologia usada na conversão de energia", diz Lan.
