Многие процессы преобразования энергии в природе зависят от согласованного перемещения электронов и протонов. Однако наблюдать одновременно изменения внутри реагирующей молекулы и перестройку окружающей среды крайне сложно из-за высокой скорости таких процессов. Теперь исследователи с помощью сверхбыстрых рентгеновских методов смогли проследить за ключевыми этапами подобной реакции в воде. О том, как электроны, протоны и вода одновременно участвуют в переносе энергии, — в материале «Известий».

Исследование опубликовано в научном журнале Nature Communications. Ученые изучили перенос протона и электрона, который лежит в основе многих процессов преобразования энергии. Для этого они использовали модельный комплекс рутения и запустили реакцию световым импульсом.

Исследователи смогли последовательно проследить, как после возбуждения меняется распределение электронов, а затем происходит протонирование атома азота в молекуле. Одновременно с этими изменениями перестраивалась ближайшая оболочка молекул воды вокруг комплекса. В частности, наблюдалось изменение водородных связей между молекулой и водой.

При возбуждении комплекса светом электронная плотность перераспределялась и преимущественно локализовалась на определенной части молекулы. Примерно через 460 пс (пикосекунд) происходило ее последующее протонирование. Вместе с этим менялось расположение окружающих молекул воды.

В исходном состоянии атомы азота взаимодействовали с водой через водородные связи одного типа. После присоединения протона структура этих связей менялась: формировались взаимодействия между протонированным атомом азота и атомами кислорода воды. Расчеты показали, что значительная часть перестройки растворителя происходила непосредственно возле участка молекулы, который получил протон.

Чтобы получить эту картину, исследователи объединили сразу несколько методов. Фемтосекундная оптическая спектроскопия позволила отслеживать изменения состояния молекулы, рентгеновская спектроскопия поглощения — изменения электронной структуры в области конкретного атома, а временно-разрешенное рентгеновское рассеяние — перестройку молекулярного окружения.

Затем экспериментальные данные сопоставили с расчетами электронной структуры и молекулярно-динамическими моделями. Такой подход позволил связать изменения электронной плотности с изменениями в первой сольватационной оболочке — ближайшем окружении молекулы из воды.

Элиза Биасин, экспериментальный химик-физик из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории

Мы впервые смогли зафиксировать, как электронные изменения, связанные с переносом протона, сочетаются с реорганизацией окружающего растворителя. Это дает нам новый способ понять, как молекулы и их окружение совместно эволюционируют во время фундаментальных химических превращений.

Ранее отдельные особенности подобных процессов удавалось изучать косвенно, однако одновременно проследить изменения электронной структуры, протонирование и перестройку растворителя было значительно сложнее. Авторы показали, что объединение рентгеновских методов может дать структурную информацию о последовательных этапах переноса протона и электрона.

Перенос протонов и электронов связан с каталитическими реакциями, биоэнергетикой и преобразованием энергии. Подобные процессы участвуют, в частности, в фотосинтезе и других биологических системах, где движение заряда сочетается с перемещением протонов.

Исследователи отмечают, что разработанный подход может использоваться для изучения более сложных механизмов переноса протонов и электронов. В перспективе такие знания могут помочь лучше контролировать подобные реакции при разработке катализаторов, систем искусственного фотосинтеза и технологий преобразования энергии.

При этом нынешняя работа была выполнена на модельном комплексе рутения, поэтому полученные результаты нельзя напрямую переносить на все биологические и технологические системы.