Une équipe internationale a fait une percée à BESSY II. Pour la première fois, ils ont réussi à étudier en détail les états électroniques d'un métal de transition et à tirer des conclusions fiables sur leur effet catalytique à partir des données. Ces résultats sont utiles pour le développement d'applications futures de systèmes catalytiques de métaux de transition. L'ouvrage est maintenant publié dans Sciences chimiques , le journal en libre accès de la Royal Society of Chemistry.

De nombreux processus importants dans la nature dépendent des catalyseurs, qui sont des atomes ou des molécules qui facilitent une réaction, mais en sortent eux-mêmes inchangés. Un exemple est la photosynthèse chez les plantes, ce qui n'est possible qu'à l'aide d'un complexe protéique comprenant quatre sites d'atomes de manganèse en son centre. Réactions redox, comme on les appelle, jouent souvent un rôle central dans ces types de processus. Les réactifs sont réduits par captation d'électrons, ou oxydés par leur libération. Les processus redox catalytiques dans la nature et l'industrie ne réussissent souvent que grâce à des catalyseurs appropriés, où les métaux de transition remplissent une fonction importante.

Ces métaux de transition, et notamment leur état redox ou d'oxydation, peut être particulièrement bien examiné à l'aide de rayons X mous, parce que les états électroniques peuvent être mesurés avec précision à l'aide de la spectroscopie à rayons X. Dans ce qu'on appelle la spectroscopie d'absorption L-edge, les électrons de la couche 2p du métal de transition sont excités de sorte qu'ils occupent des orbitales d libres. Une différence d'énergie peut être déterminée à partir du spectre d'absorption des rayons X qui reflète l'état d'oxydation de la molécule ou du catalyseur d'une manière connue. Cependant, exactement où les électrons sont absorbés ou libérés par le catalyseur au cours d'une réaction d'oxydoréduction, c'est-à-dire exactement comment la densité de charge dans le catalyseur varie avec l'état d'oxydation, était auparavant difficile à vérifier. Cela était principalement dû au manque de méthodes fiables pour la description théorique des densités de charge dans les molécules de catalyseur dans les états fondamental et excité, et à la difficulté d'obtenir des données expérimentales fiables. Si les métaux de transition sont situés dans de plus grands complexes de molécules organiques complexes, comme ils le sont généralement pour les vrais catalyseurs redox, leur étude devient extrêmement difficile, car les rayons X endommagent l'échantillon.

Maintenant, pour la première fois, une équipe internationale du Helmholtz-Zentrum Berlin, Université d'Uppsala (Suède), Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley (USA), Université de Manchester (Grande-Bretagne), et le SLAC National Accelerator Laboratory de l'Université de Stanford (États-Unis) a réussi à étudier les atomes de manganèse dans différents états d'oxydation, c'est-à-dire au cours des différentes étapes d'oxydation - dans divers composés par des mesures in operando à BESSY II. Pour y parvenir, Philippe Wernet et son équipe ont introduit les échantillons dans différents solvants, examiné les jets de ces liquides à l'aide de rayons X, et ont comparé leurs données avec de nouveaux calculs du groupe de Marcus Lundberg à l'Université d'Uppsala. « Nous avons réussi à déterminer comment et surtout pourquoi les spectres d'absorption des rayons X se déplacent avec les états d'oxydation, ", déclare le théoricien Marcus Lundberg. Les doctorants Markus Kubin (HZB) avec son expertise expérimentale et Meiyuan Guo (Université d'Uppsala) avec son expertise théorique reflètent l'approche interdisciplinaire de l'étude et ils ont contribué à part égale en tant que premiers auteurs de l'article.

"Nous avons combiné une nouvelle configuration expérimentale avec des calculs de chimie quantique. À notre avis, nous avons réalisé une percée dans la compréhension des catalyseurs organométalliques, " dit Wernet. " Pour la première fois, nous avons pu tester et valider empiriquement des calculs d'oxydation et de réduction qui n'ont pas lieu localement sur le métal, mais plutôt sur la molécule entière."

"Ces résultats sont une pierre angulaire pour les travaux futurs dans des systèmes plus complexes, comme l'amas de tétra manganèse dans la photosynthèse. Ils faciliteront une nouvelle compréhension des processus redox pour le catalyseur au manganèse dans le complexe protéique Photosystème II, " dit Junko Yano, scientifique principal de la division de biophysique moléculaire et de bioimagerie intégrée (MBIB) et du Centre commun pour la photosynthèse artificielle (JCAP) du Lawrence Berkeley National Laboratory, qui mène des recherches détaillées sur la photosynthèse.