Фотосинтез, клітинне дихання та багато хімічних реакцій працюють завдяки неймовірно швидкому руху заряджених частинок. Тепер фізики вперше змогли детально побачити, як електрони й протони координовано рухаються під час такої реакції.

Дослідження провела міжнародна команда на чолі з Pacific Northwest National Laboratory спільно з науковцями SLAC та університетів.

У центрі роботи — явище, яке називають перенесенням протона, пов’язаним із перенесенням електрона (PCET). Його особливість у тому, що позитивно заряджений протон і електрон переміщуються узгоджено.

Завдяки цьому молекула може уникати зайвих проміжних етапів, які потребували б додаткової енергії. У результаті хімічна реакція стає швидшою та ефективнішою. Саме подібні механізми допомагають рослинам перетворювати сонячне світло на хімічну енергію.

Вчені буквально «зняли» реакцію

Проблема в тому, що електрони та протони рухаються надзвичайно швидко. До того ж навколишні молекули води одночасно перебудовуються, тому побачити всю картину одразу дуже складно. Дослідники використали надшвидкі рентгенівські імпульси на установці LCLS у SLAC. Одночасно вони застосували комп’ютерні моделі та симуляції молекулярної динаміки.

У результаті вдалося простежити, як змінюється електронна структура молекули в конкретних ділянках, коли вона отримує протон, і як у цей самий момент перебудовується навколишня вода.

Сам протон рентгенівськими методами безпосередньо побачити не вдалося. Але його рух вдалося відновити за змінами електронної структури та водного середовища, які добре узгоджувалися з розрахунками.

Навіщо це потрібно?

PCET бере участь у величезній кількості процесів, пов’язаних із перетворенням енергії. Тому новий метод може допомогти вченим краще зрозуміти роботу каталізаторів, паливних елементів і проточних батарей.

Особливо важливо, що тепер дослідники отримали інструмент для вивчення таких реакцій не окремими фрагментами, а як єдиної системи — електрон, протон і молекули води рухаються разом.

Поки це фундаментальне дослідження на відносно простій модельній молекулі. Але в майбутньому той самий підхід можна застосувати до складніших хімічних систем. Можливо, секрет надзвичайної ефективності природи полягає саме в цій координації — коли мільярдні частки секунди вирішують, скільки енергії буде втрачено під час реакції.