Fotocatalisadores - materiais que desencadeiam reações químicas quando atingidos pela luz - são importantes em uma série de processos naturais e industriais, desde a produção de hidrogênio para combustível até a ativação da fotossíntese.

Agora, uma equipe internacional usou um laser de raios-X no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia para obter uma visão incrivelmente detalhada do que acontece com a estrutura de um modelo de fotocatalisador quando ele absorve luz.

Os pesquisadores usaram pulsos de laser extremamente rápidos para observar a mudança da estrutura e ver as moléculas vibrando, tocando "como um conjunto de sinos, "diz o autor principal Kristoffer Haldrup, um cientista sênior da Technical University of Denmark (DTU). Este estudo abre caminho para uma investigação mais profunda desses processos, que poderia ajudar no projeto de melhores catalisadores para dividir água em hidrogênio e oxigênio para tecnologias de energia de próxima geração.

“Se pudermos entender tais processos, então podemos aplicar esse entendimento ao desenvolvimento de sistemas moleculares que fazem truques como esse com eficiência muito alta, "Haldrup diz.

Os resultados publicados na semana passada em Cartas de revisão física .

Conjunto molecular

O fotocatalisador à base de platina que estudaram, chamado PtPOP, é uma de uma classe de moléculas que separam os átomos de hidrogênio de várias moléculas de hidrocarbonetos quando atingidos pela luz, Haldrup diz:"É um ambiente de teste - um playground, se você quiser - para estudar fotocatálise como ela acontece. "

No laser de raios-X do SLAC, a fonte de luz coerente Linac (LCLS), os pesquisadores usaram um laser óptico para excitar as moléculas contendo platina e, em seguida, usaram raios-X para ver como essas moléculas mudavam sua estrutura após absorver os fótons visíveis. Os pulsos de laser de raios-X extremamente curtos permitiram que observassem a mudança da estrutura, Haldrup diz.

Os pesquisadores usaram um truque para "congelar" seletivamente algumas das moléculas em seu movimento vibracional, e então usou os pulsos de raios-X ultracurtos para capturar como todo o conjunto de moléculas evoluiu com o tempo depois de ser atingido pela luz. Tirando essas imagens em momentos diferentes, eles podem juntar os quadros individuais como um filme em stop-motion. Isso lhes forneceu informações detalhadas sobre moléculas que não foram atingidas pela luz laser, oferecendo uma visão sobre as mudanças ultrarrápidas que ocorrem nas moléculas quando elas estão em sua energia mais baixa.

Nadando em harmonia

Mesmo antes de a luz atingir as moléculas, eles estão todos vibrando, mas fora de sincronia uns com os outros. Kelly Gaffney, co-autor deste artigo e diretor da Stanford Synchrotron Radiation Lightsource da SLAC, compara este movimento a nadadores em uma piscina, furiosamente pisando na água.

Quando o laser óptico os atinge, algumas das moléculas afetadas pela luz começam a se mover em uníssono e com maior intensidade, mudar daquele passo discordante para golpes sincronizados. Embora esse fenômeno já tenha sido visto antes, até agora era difícil quantificar.

"Esta pesquisa demonstra claramente a capacidade dos raios X de quantificar como a excitação muda as moléculas, "Gaffney diz." Não podemos apenas dizer que está animado vibracionalmente, mas também podemos quantificá-lo e dizer quais átomos estão se movendo e em quanto. "

Química preditiva

Para acompanhar este estudo, os pesquisadores estão investigando como as estruturas das moléculas de PtPOP mudam quando elas participam de reações químicas. Eles também esperam usar as informações obtidas neste estudo para estudar diretamente como as ligações químicas são feitas e quebradas em sistemas moleculares semelhantes.

"Temos que investigar os fundamentos da fotoquímica, ou seja, como a excitação dos elétrons no sistema leva a algumas mudanças muito específicas na estrutura molecular geral, "diz Tim Brandt van Driel, um co-autor do DTU que agora é um cientista do LCLS. "Isso nos permite estudar como a energia está sendo armazenada e liberada, o que é importante para a compreensão dos processos que também estão no cerne da fotossíntese e do sistema visual. "

Uma melhor compreensão desses processos pode ser a chave para projetar melhores materiais e sistemas com funções úteis.

"Muito da compreensão química é racionalizado após o fato. Não é nada preditivo, "Gaffney diz." Você vê e então explica por que aconteceu. Estamos tentando mover o design de materiais químicos úteis para um espaço mais preditivo, e isso requer conhecimento preciso e detalhado do que acontece nos materiais que já funcionam. "