Результаты, опубликованные 1 апреля в журнале Nature, могут помочь в разработке новых катализаторов для эффективного производства топлива с использованием солнечного света. Исследование проводилось с помощью рентгеновского лазера в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США.
«Мы смогли определить, как свет перестраивает внешние электроны соединения в масштабе времени до нескольких сотен фемтосекунд или квадриллионных долей секунды», – сказал Филиппе Верне, ученый из Helmholtz-Zentrum Berlin для материалов и энергии, который руководил экспериментом.
Исследователи надеются, что изучение этих деталей позволит им разработать правила для прогнозирования и контроля краткосрочных ранних этапов важных реакций, в том числе тех, которые растения используют для превращения солнечного света и воды в топливо во время фотосинтеза.
Ученые стремятся воспроизвести эти естественные процессы для производства водородного топлива, например, из солнечного света и воды, а также освоить химию, необходимую для производства других возобновляемых видов топлива.
«Конечная цель – разработать химические реакции, которые будут вести себя именно так, как вы хотите», – сказал Вернет.
В эксперименте, проводившемся в лаборатории когерентного источника света линейного ускорителя SLAC, лаборатории Министерства энергетики США, где ученые изучали желтоватую жидкость, называемую пентакарбонилом железа, которая состоит из «шпор» окиси углерода, окружающих центральный атом железа. Это основной строительный блок для более сложных соединений, а также простая модель для изучения индуцированных светом химических реакций.
Исследователи знали, что воздействие света на это соединение железа может отщепить одну из пяти шпор оксида углерода, в результате чего оставшиеся в молекуле электроны перестроятся. Расположение крайних электронов определяет реакционную способность молекулы, в том числе то, может ли она стать хорошим катализатором, а также сообщает, как протекают реакции.
Что было не совсем понятно, так это то, как быстро происходит это инициируемое светом превращение и через какие короткоживущие промежуточные состояния молекула проходит на пути к превращению в стабильный продукт.
В LCLS ученые поразили тонкую струйку соединения железа, которое было смешано с этанольным растворителем, импульсами оптического лазерного света, чтобы разбить железоцентрированные молекулы. Спустя всего несколько сотен фемтосекунд сверхяркий импульс рентгеновского излучения исследовал трансформацию молекул, что было зарегистрировано чувствительными детекторами.
Изменяя время прихода рентгеновских импульсов, они отслеживали перестройки самых удаленных электронов во время молекулярных превращений.
Примерно половина разорванных молекул входит в химически реактивное состояние, в котором их внешние электроны склонны связывать другие молекулы.
Как следствие, они либо повторно соединяются с оторванной частью, либо связываются с молекулой этанола с образованием нового соединения. В других случаях наиболее удаленные электроны в молекуле стабилизируются в конфигурации, которая делает молекулу нереактивной. Все эти изменения наблюдались за время, необходимое свету для прохождения нескольких тысячных дюйма.
«То, что это произошло так быстро, было чрезвычайно удивительно», – сказал Вернет.
По его словам, неотъемлемой частью исследования были анализ данных и теоретическая работа за несколько лет. Следующим шагом является переход от модельных соединений к исследованиям с помощью LCLS реальных молекул, используемых для производства солнечного топлива.
«Это был действительно захватывающий эксперимент, поскольку мы впервые использовали LCLS для изучения химии жидких соединений», – сказал Джош Тернер, штатный научный сотрудник SLAC, участвовавший в эксперименте. «LCLS является уникальным в мире по своей способности разрешать эти типы сверхбыстрых процессов в правильном диапазоне энергий для этого соединения."
Келли Гаффни из SLAC, химик, который внес свой вклад в изучение того, как изменение расположения электронов управляет химическими реакциями, сказала: «Эта работа помогает подготовить почву для будущих исследований в LCLS и показывает, как сотрудничество в различных областях исследований в SLAC позволяет расширить и улучшить науку."
Помимо исследователей из Helmholtz-Zentrum Berlin for Materials and Energy и LCLS, в исследовании участвовали и другие ученые из: Стэнфордского источника синхротронного излучения SLAC; SLAC и Стэнфордский институт PULSE; Потсдамский университет, Институт биофизической химии Макса Планка, Геттингенский университет и лаборатория DESY в Германии; Стокгольмский университет и MAX-lab в Швеции; Утрехтский университет в Нидерландах; Институт Пауля Шеррера в Швейцарии; и Пенсильванский университет.
Эта работа была поддержана Фондом Volkswagen, Шведским исследовательским советом, Фондом Карла Траггерса, Фондом Магнуса Бергвалла, Центрами совместных исследований Немецкого научного фонда и Виртуальным институтом Гельмгольца «Динамические пути в многомерных ландшафтах» и U.S. Министерство энергетики, Управление науки.