Los investigadores han registrado imágenes de una reacción química que la naturaleza utiliza para mover energía con gran eficiencia. Las imágenes conectan los cambios en electrones, protones y moléculas de agua, y podrían ayudar a crear mejores catalizadores, celdas de combustible y baterías de flujo.
Investigadores del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste lideraron un equipo que incluyó colaboradores del Laboratorio Nacional SLAC y varias universidades. Su trabajo fue publicado en Nature Communications.
Capturando la Reacción
El proceso depende de que partículas con carga positiva y negativa se muevan juntas de manera organizada. Las plantas utilizan métodos comparables para tomar energía del sol y mantenerla como energía química. Los animales emplean métodos relacionados para convertir los alimentos en energía.
Los protones y los electrones pueden viajar como un par sin necesidad de etapas adicionales, lo que ahorra energía y acelera el proceso.
Se entregó un pulso de luz a una molécula, lo que desencadenó la reacción, mientras que se emplearon rayos X ultrafast para observar sus consecuencias. El equipo fue testigo de una cadena de eventos que se desarrollaron juntos: alteraciones en la estructura electrónica, la llegada de un protón y cambios en el entorno acuoso circundante.
«Por primera vez, hemos captado cómo los cambios electrónicos asociados con la transferencia de protones se acoplan a la reorganización del disolvente circundante», dijo Elisa Biasin, física química experimental del PNNL.
Por Qué Importa
La naturaleza se basa en la transferencia de protones acoplada a electrones, o PCET, para sus operaciones. El proceso impulsa la fotosíntesis y también alimenta la conversión biológica de energía.
Los investigadores han descifrado el proceso fundamental detrás del sistema, pero la secuencia y el tiempo exactos de cómo los electrones y los protones se mueven a través de él aún no se conocen por completo.
«¿Están ocurriendo juntos o no? ¿En qué sitio molecular? ¿Y cómo está facilitando la red de agua el salto de protones?» preguntó Biasin. «Estas son algunas de las posibles preguntas abiertas.»
Los investigadores ahora tienen un medio para abordar estas preguntas, y los hallazgos revelan que los cambios localizados en la estructura electrónica acompañan a una reorganización más amplia de la red de agua circundante cuando la molécula capta un protón.
Siguiendo Electrones, Protones y Agua
La verdadera dificultad es el ritmo. Los electrones viajan a una velocidad extremadamente rápida, y los protones se mantienen casi tan de prisa. Las moléculas de agua alrededor de las partículas reactivas se reorganizan continuamente, y esta constante variación es notoriamente difícil de observar directamente.
Estudios anteriores pudieron medir ciertos aspectos de este procedimiento individualmente, aunque ninguno logró observar tanto las alteraciones electrónicas internas dentro de la molécula como la reorganización de la materia que la rodea simultáneamente.
Biasin y su equipo eligieron una molécula basada en rutenio que ha sido estudiada extensivamente porque simplifica el sistema para entenderlo. Ese compuesto en particular absorbe luz y captura un protón de su entorno cuando se coloca en un ácido.
«Identificamos el complejo metálico utilizado en este estudio porque no sufre alteraciones electrónicas y estructurales adicionales que compliquen la interpretación de las señales de rayos X, permitiéndonos aislar señales asociadas con el movimiento del electrón, el protón y el disolvente», dijo Christopher Larsen, un co-investigador y profesor asociado en la Universidad de Auckland, Nueva Zelanda.
En la Universidad de Ginebra, los científicos aplicaron técnicas de caracterización en tiempo real para rastrear las fases de la reacción.
Lo Que Viene Después
Los científicos combinaron espectroscopia de rayos X ultrafast, dispersión de rayos X y simulaciones avanzadas para documentar momentos clave en la reacción. Ese enfoque podría ayudar en última instancia a los investigadores a construir mejores catalizadores, celdas de combustible y baterías de flujo.
Los investigadores ahora tienen un medio directo para analizar estas transformaciones vinculadas, que eventualmente podrían ayudar a diseñar catalizadores, celdas de combustible, baterías de flujo y otras tecnologías de conversión y almacenamiento de energía más eficientes.
Este estudio impulsa el campo al explorar cómo las moléculas y su entorno cambian juntos a lo largo de reacciones químicas clave.
- La espectroscopia de rayos X ultrafast captura cambios en la estructura electrónica.
- La dispersión de rayos X documenta la llegada de un protón.
- Simulaciones avanzadas modelan la reorganización de la red acuífera circundante.
Fuente: «Scientists finally see how nature moves energy so efficiently,» ScienceDaily.
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