Команда учёных под руководством Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) зафиксировала ключевые этапы координированного движения протонов и электронов после возбуждения молекулы светом. Эта связанная передача протона и электрона (PCET) считается одной из самых эффективных форм переноса энергии в природе и лежит в основе процессов фото­синтеза и преобразования энергии в живых организмах. Результаты опубликованы в Nature Communications и привели к более детальному представлению о том, как протон и электрон движутся синхронно, что может помочь в дальнейшем создании более эффективных катализаторов, топливных элементов и батарей. Источники событий — публикации и пояснения о проекте и его участниках, в числе которых упоминаются исследования в SLAC и университетах, — указывают на переход к непосредственным снимкам молекулярных изменений после светового возбуждения. [1, 6, 8, 7]

В центре исследования — координированное движение позитронально заряженных частиц и электронов в рамках реакции, активируемой светом. Для этого использовали ультраскоростные Х-лучевые методы на линейно-коherent Light Source (LCLS) в SLAC, сочетав их с передовым квантово-химическим моделированием и молекулярной динамикой. Уникальность подхода состоит в том, что впервые с структурной чувствительностью зафиксированы локальные электронные изменения в молекуле в точках, где протон подключается к молекуле, и одновременная перестройка окружающей водной среды. Эти данные позволяют увидеть, как электронная конфигурация меняется в определённых местах молекулы по мере присоединения протона. Источники — обзор методологии и экспериментальные детали. [6, 8, 23, 24, 25]

Из интервью участников следует, что ограничение эксперимента состоит в невозможности прямого наблюдения самого протона. По словам ведущих авторов, рентгеновские методы в первую очередь фиксируют электронно богатые части атомов, поэтому протон не виден напрямую; однако совместное применение спектроскопии поглощения рентгеновских лучей и рассеяния позволяет проследить локальную перестройку электронной структуры и глобальную перестройку водяной сети вокруг реакции. Это даёт возможность делать выводы об общей координации процессов переноса электронов, протонов и воды. [32,31]

Авторы подчёркивают, что такой комплексный подход открывает путь к исследованию PCET в более сложных системах и может расширить инструментарий для проектирования каталитических материалов и энергетических устройств. В числе потенциальных применений — более эффективные катализаторы, топливные элементы и поточные батареи, а также углубление понимания того, как природа организует энергию на молекулярном уровне. Эти выводы дополняются контекстом значимости PCET в фотосинтезе растений и пищеварительных превращениях у животных, а также в широком спектре трансформаций энергии. [15,11,34,35]

Исследование финансировалось ведомством DOE и его программами в области основной науки и химии, включая CPIMS и AMOS, часть работ выполнялась с использованием Linac Coherent Light Source и в Эко-руководстве ПННЛ, а часть — в лаборатории при Geneva и Университете Aukland. Эти данные подчёркнулись в публикации и сопутствующих материалах о поддержке и площадке экспериментов. [37,38]