Les molécules absorbant la lumière peuvent transformer les photons en électricité ou en carburants en faisant passer les électrons d'un atome à un autre. Dans de nombreux cas, les molécules sont entourées d'un solvant - eau, dans le cas de la photosynthèse - et des études ont montré que le solvant joue un rôle important dans le transfert d'électrons. Mais mesurer les mouvements des molécules de solvant pour découvrir comment ils influencent le processus a été difficile.

Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont capturé pour la première fois les mouvements rapides de molécules de solvant qui ont un impact sur le transfert d'électrons induit par la lumière dans un complexe moléculaire - des informations qui pourraient aider les chercheurs à apprendre à contrôler le flux d'énergie dans les molécules, potentiellement conduire à des sources d'énergie propre plus efficaces.

« C'est un défi de longue date en chimie de comprendre, à un niveau microscopique, le rôle crucial des solvants dans les réactions chimiques, " dit Elisa Biasin, chercheur associé au Stanford PULSE Institute du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie. "Jusqu'à récemment, nous n'avions pas d'outils directement sensibles au mouvement atomique à des échelles de temps très rapides pour étudier cela."

Une équipe de recherche dirigée par Munira Khalil, professeur de chimie à l'Université de Washington, avec des collaborateurs du SLAC et du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du DOE ont surmonté cet obstacle en utilisant une combinaison de techniques de rayons X et de simulations. Ils ont publié leurs résultats dans Chimie de la nature .

Mouvements synchronisés

L'équipe s'est concentrée sur un complexe moléculaire contenant deux atomes métalliques pouvant échanger un électron entre eux. Ce système sert de plate-forme pour étudier les réactions de transfert d'électrons. Ils ont d'abord dissous le complexe dans l'eau, où il a formé de fortes liaisons hydrogène avec les molécules d'eau environnantes. Ils ont lancé le processus de transfert d'électrons entre les atomes métalliques à l'aide d'une impulsion laser optique. Ensuite, ils ont diffusé des impulsions de rayons X de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC hors de l'échantillon pour surveiller le mouvement des atomes dans le complexe et les molécules de solvant environnantes pendant le transfert d'électrons.

Les impulsions de rayons X ultracourtes, juste des millionièmes de milliardième de seconde, capturé les mouvements synchronisés des molécules d'eau qui étaient liées au complexe. En tant qu'électron transféré d'un atome de métal à l'autre, les liaisons hydrogène se sont affaiblies et les molécules de solvant se sont éloignées du complexe. Lorsque l'électron est revenu au premier atome de métal, les molécules de solvant ont oscillé pour revenir à leur position d'origine.

"C'est la première fois que nous sommes capables de capturer expérimentalement un mouvement spécifique d'un solvant qui est dans ce genre de synchronisation avec ce qui se passe à l'intérieur du complexe moléculaire, " dit Khalil.

Capturer la danse

L'équipe a pu analyser et interpréter les résultats expérimentaux à l'aide de simulations moléculaires. Le physicien Niri Govind et la chimiste informatique Amity Andersen du PNNL ont contribué à ces simulations avec NWChem, un progiciel de chimie computationnelle open source développé par PNNL.

Govind dit, "La combinaison de l'expérience et de la simulation moléculaire était cruciale pour comprendre la danse couplée qui se produit lors du transfert d'électrons ultrarapide entre les atomes de métal et les molécules d'eau environnantes."

À suivre, les chercheurs espèrent mener des expériences avec d'autres solvants pour voir comment ils affectent le transfert d'électrons.

"Le but, " Biasin dit, "est d'en apprendre suffisamment à l'échelle atomique pour pouvoir faire des prédictions et apprendre à exercer un certain niveau de contrôle sur les transferts d'électrons et d'autres réactions chimiques importantes."