L’eau, berceau de la vie sur Terre, n’est pas qu’un décor passif mais participe activement au ballet chimique de la vie. Le comportement des électrons est au cœur de cette danse, en particulier au cours d'un processus connu sous le nom de transfert de charge vers un solvant (CTTS).

CTTS est comme une danse microscopique où un électron provenant de quelque chose dissous dans l’eau, comme le sel, jaillit et rejoint l’eau elle-même. Le processus crée un électron désormais « hydraté », qui est un élément clé de nombreuses réactions aqueuses, comme celles qui sont à la base de la vie elle-même. Par conséquent, le CTTS est essentiel pour comprendre comment les électrons se déplacent dans les solutions.

Dans une nouvelle étude de l'EPFL publiée dans Nature Communications , les chercheurs Jinggang Lan, Majed Chergui et Alfredo Passquarello ont étudié les interactions complexes entre les électrons et leurs environnements solvants.

Le travail a été conçu et réalisé principalement à l'EPFL, avec la finalisation des contributions de Jinggang Lan après avoir accepté une bourse postdoctorale au Simons Center for Computational Physical Chemistry de l'Université de New York.

En examinant le processus CTTS, les chercheurs ont méticuleusement visualisé l'interaction dynamique entre l'électron qui s'échappe et les molécules d'eau polarisantes qui l'entourent, marquant un pas significatif dans notre compréhension de ces interactions complexes.

L’équipe a utilisé de l’iodure dissous dans l’eau (iodure aqueux), car il permet de mieux comprendre comment les électrons se déplacent vers l’eau environnante. L'iodure, comme le sel de table, n'a pas de mouvements internes complexes, ce qui le rend plus simple à étudier. Cela a permis aux scientifiques d'observer comment l'iodure peut rapidement libérer un électron dans l'eau environnante, un processus influencé par la disposition des molécules d'eau autour de l'iodure.

Pour étudier le processus CTTS, les chercheurs ont utilisé la dynamique moléculaire ab initio, une technique sophistiquée qui simule le comportement des molécules dans un ordinateur en calculant les interactions et les mouvements atomiques à partir de principes physiques fondamentaux utilisant la mécanique quantique.

"Ab initio" signifie "depuis le début" en latin, indiquant que cette méthode part de principes physiques fondamentaux, permettant aux scientifiques de prédire avec précision comment les molécules et les matériaux évoluent au fil du temps sans s'appuyer sur des données empiriques sur les interactions entre les particules.

En combinant l'approche ab initio avec des techniques sophistiquées d'apprentissage automatique, les scientifiques ont pu visualiser et analyser le processus CTTS avec des détails sans précédent, en suivant le parcours d'un électron depuis son attachement à un ion iodure jusqu'à sa solvatation, c'est-à-dire son environnement et sa stabilisation par des molécules d'eau. .

L'étude a révélé que le CTTS implique une série d'états distincts, chacun caractérisé par la distance entre l'électron et le noyau d'iode :depuis l'association étroite avec l'atome d'iode (état de paire de contacts), jusqu'à la séparation dans le solvant (état séparé du solvant). ), et finalement devenir complètement solvaté sous forme d'électron hydraté.

"Le progrès réside principalement au niveau fondamental", explique Pasquarello. "Le mécanisme décrit implique une interaction subtile entre l'excitation électronique et les effets de polarisation ionique, qui produisent une séquence de configurations révélées par nos simulations."

Mais faire la lumière sur le CTTS pourrait également avoir des implications dans un large éventail d’applications impliquant des réactions de transfert de charge et d’énergie. Comprendre comment les électrons interagissent avec leur environnement à un niveau aussi fondamental pourrait être essentiel pour développer des systèmes de conversion d'énergie solaire plus efficaces, améliorer les techniques de photocatalyse et même faire progresser nos connaissances de la science des matériaux et des processus environnementaux.

"Comprendre le transfert de charge vers le solvant fournit des informations sur le comportement de l'énergie et des électrons dans les réactions chimiques, influençant toute une gamme d'activités biologiques naturelles jusqu'à la technologie utilisée dans la conversion d'énergie", explique Lan.