Аннотация:
Основная химическая реакция, поддерживающая фотосинтез, обмен веществ и многочисленные процессы преобразования энергии, недавно была полностью зафиксирована учеными с беспрецедентной точностью. Впервые исследователи одновременно наблюдали изменения в электронной структуре внутри молекулы и процесс реорганизации окружающей ее молекулярной сети, что открывает новый взгляд на понимание ключевых механизмов реакций в жизненных и энергетических системах.
Это исследование было выполнено Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией в США, Стэнфордским центром линейных ускорителей и рядом научно-исследовательских институтов. Результаты исследований показывают, что когда происходит важная реакция переноса энергии, молекулы, участвующие в реакции, и окружающая среда растворителя не изменяются независимо, а эволюционируют вместе, в тесной взаимосвязи.
Объектом исследования является процесс под названием «протон-связанный электронный перенос» (ПКЭТ). В этой реакции положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны движутся одновременно, завершая передачу энергии. Многочисленные ключевые биохимические процессы в природе основаны на этом механизме, включая использование растениями солнечного света для фотосинтеза и метаболические процессы, посредством которых организмы преобразуют пищу в энергию.
Ученые утверждают, что скоординированное движение протонов и электронов может помочь молекулам обойти некоторые энергозатратные промежуточные этапы, тем самым делая химические реакции быстрее и эффективнее. Помимо жизнедеятельности, подобные механизмы также широко встречаются в энергетических технологиях, таких как катализаторы, топливные элементы и проточные батареи.
Однако эту реакцию долгое время было трудно наблюдать непосредственно.
Электроны движутся очень быстро, а протоны движутся с очень похожими скоростями. В то же время сеть молекул воды вокруг реагирующих молекул будет продолжать реорганизоваться в течение того же чрезвычайно короткого времени. Прошлые эксперименты смогли уловить некоторые из этих процессов, но не смогли одновременно зафиксировать связь между изменениями в электронах и изменениями в среде растворителя.
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа использовала лазерное устройство на свободных электронах Linac Coherent Light Source в Стэнфордском центре линейных ускорителей в США, чтобы наблюдать весь процесс реакции с помощью двух взаимодополняющих сверхбыстрых рентгеновских технологий.
В ходе эксперимента исследователи сначала использовали свет для возбуждения особой молекулярной системы, а затем непрерывно использовали рентгеновские лучи, чтобы за очень короткое время обнаружить ее структурные изменения. В то же время исследовательская группа также объединила квантово-химические расчеты и молекулярно-динамическое моделирование для анализа и реконструкции экспериментальных данных.
Окончательные результаты показывают, что когда молекула приобретает протон, ее внутреннее распределение электронов значительно изменится в определенных положениях, и окружающая сеть молекул воды, которые изначально были стабильно расположены, также будет реорганизована одновременно. Другими словами, изменения в самих молекулах происходят одновременно с изменениями в окружающей среде, а не независимо друг от друга.
Элиза Биасин, один из руководителей проекта, рассказала, что впервые ученые непосредственно наблюдали, как изменения в электронной структуре, связанные с переносом протона, сочетаются с реорганизацией окружающей среды растворителя. Этот результат открывает новый метод исследования для понимания того, как молекулы и окружающая среда эволюционируют совместно.
Чтобы упростить анализ, исследовательская группа выбрала в качестве объекта исследования светочувствительную молекулярную систему с рутением в качестве ядра. Эта система может разделять перенос электронов, перенос протонов и изменения водной среды, чтобы избежать помех, вызванных сложными химическими процессами.
Хотя эксперимент не может напрямую уловить траекторию движения самого протона, исследователи все же могут реконструировать весь процесс реакции посредством изменений в электронной структуре и окружающем атомном расположении.
Исследователи полагают, что этот результат не только поможет объяснить механизм преобразования энергии в природе, но также может способствовать развитию энергетических технологий следующего поколения. Получив более глубокое понимание того, как протоны и электроны передаются вместе, ученые смогут в будущем разработать более эффективные катализаторы, топливные элементы и системы хранения энергии.
С постепенным вводом в эксплуатацию нового поколения лазеров на свободных электронах LCLS-II исследовательская группа ожидает, что в будущем сможет наблюдать более сложные процессы химических реакций с более высоким временным разрешением и даже напрямую изучать ключевые этапы передачи энергии в реальных системах фотосинтеза.
Инсайдеры отрасли отметили, что значение этого достижения заключается не только в наблюдении конкретной реакции, но и в создании нового метода наблюдения. В прошлом ученые обычно могли изучать только электронные изменения или изменения молекулярной структуры отдельно, но теперь они могут одновременно наблюдать коэволюцию реакционного центра и окружающей среды, что открывает новое окно для будущих исследований жизненных процессов и механизмов преобразования энергии.
Комментарии