Zusammenfassung:
Eine grundlegende chemische Reaktion, die Photosynthese, Stoffwechsel und zahlreiche Energieumwandlungsprozesse unterstützt, wurde kürzlich von Wissenschaftlern mit beispielloser Präzision vollständig erfasst. Zum ersten Mal beobachteten Forscher gleichzeitig Veränderungen in der elektronischen Struktur innerhalb des Moleküls und den Reorganisationsprozess des umgebenden Wassermolekülnetzwerks und eröffneten so eine neue Perspektive für das Verständnis wichtiger Reaktionsmechanismen in Lebens- und Energiesystemen.
Diese Forschung wurde vom Pacific Northwest National Laboratory in den Vereinigten Staaten, dem Stanford Linear Accelerator Center und einer Reihe wissenschaftlicher Forschungseinrichtungen durchgeführt. Forschungsergebnisse zeigen, dass sich bei einer wichtigen Energieübertragungsreaktion die an der Reaktion beteiligten Moleküle und die umgebende Lösungsmittelumgebung nicht unabhängig voneinander verändern, sondern sich auf stark gekoppelte Weise gemeinsam entwickeln.
Das Forschungsobjekt ist ein Prozess namens „Proton Coupled Electron Transfer“ (PCET). Bei dieser Reaktion bewegen sich positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen gleichzeitig und vervollständigen so die Energieübertragung. Zahlreiche wichtige biochemische Aktivitäten in der Natur basieren auf diesem Mechanismus, darunter die Nutzung des Sonnenlichts durch Pflanzen für die Photosynthese und die Stoffwechselprozesse, mit denen Organismen Nahrung in Energie umwandeln.
Wissenschaftler sagen, dass die koordinierte Bewegung von Protonen und Elektronen Molekülen helfen kann, einige energieverbrauchende Zwischenschritte zu umgehen und so chemische Reaktionen schneller und effizienter zu machen. Neben Lebensaktivitäten sind ähnliche Mechanismen auch in Energietechnologien wie Katalysatoren, Brennstoffzellen und Durchflussbatterien weit verbreitet.
Diese Reaktion war jedoch lange Zeit schwer direkt zu beobachten.
Elektronen bewegen sich extrem schnell und Protonen bewegen sich mit sehr ähnlicher Geschwindigkeit. Gleichzeitig wird sich das Netzwerk der Wassermoleküle um die reagierenden Moleküle innerhalb der gleichen extrem kurzen Zeitspanne weiter neu organisieren. Frühere Experimente konnten einige dieser Prozesse erfassen, konnten jedoch nicht gleichzeitig den Zusammenhang zwischen Änderungen der Elektronen und Änderungen in der Lösungsmittelumgebung erfassen.
Um dieses Problem zu lösen, nutzte das Forschungsteam den Freielektronenlaser Linac Coherent Light Source am Stanford Linear Accelerator Center in den Vereinigten Staaten, um den gesamten Reaktionsprozess mithilfe zweier komplementärer ultraschneller Röntgentechnologien zu beobachten.
In dem Experiment regten die Forscher zunächst mit Licht ein spezielles molekulares System an und nutzten dann kontinuierlich Röntgenstrahlen, um dessen Strukturveränderungen in sehr kurzer Zeit nachzuweisen. Gleichzeitig kombinierte das Forscherteam auch quantenchemische Berechnungen und Molekulardynamiksimulationen, um die experimentellen Daten zu analysieren und zu rekonstruieren.
Die Endergebnisse zeigen, dass sich die interne Elektronenverteilung eines Moleküls an bestimmten Positionen erheblich ändert, wenn ein Molekül ein Proton aufnimmt, und dass gleichzeitig auch das umgebende Netzwerk aus ursprünglich stabil angeordneten Wassermolekülen neu organisiert wird. Mit anderen Worten: Veränderungen in den Molekülen selbst erfolgen gleichzeitig mit Veränderungen in der Umgebung und nicht unabhängig voneinander.
Elisa Biasin, eine der Projektleiterinnen, sagte, dass dies das erste Mal sei, dass Wissenschaftler direkt beobachtet hätten, wie die mit dem Protonentransfer verbundenen Veränderungen der elektronischen Struktur mit der Neuorganisation der umgebenden Lösungsmittelumgebung gekoppelt seien. Dieses Ergebnis bietet eine neue Forschungsmethode zum Verständnis der gemeinsamen Entwicklung von Molekülen und der Umwelt.
Um die Analyse zu vereinfachen, wählte das Forschungsteam als Forschungsobjekt ein lichtempfindliches molekulares System mit Ruthenium als Kern. Dieses System kann Elektronentransfer, Protonentransfer und Änderungen der Wasserumgebung trennen, um Störungen durch komplexe chemische Prozesse zu vermeiden.
Obwohl das Experiment die Bewegungsbahn des Protons selbst nicht direkt erfassen kann, können Forscher dennoch den gesamten Reaktionsprozess durch Änderungen in der elektronischen Struktur und der umgebenden Atomanordnung rekonstruieren.
Die Forscher glauben, dass dieses Ergebnis nicht nur dazu beitragen wird, den Energieumwandlungsmechanismus in der Natur zu erklären, sondern auch die Entwicklung der nächsten Generation von Energietechnologien vorantreiben könnte. Durch ein tieferes Verständnis der gemeinsamen Übertragung von Protonen und Elektronen können Wissenschaftler in Zukunft möglicherweise effizientere Katalysatoren, Brennstoffzellen und Energiespeichersysteme entwickeln.
Mit der schrittweisen Inbetriebnahme der neuen Generation von LCLS-II-Freie-Elektronen-Laseranlagen geht das Forschungsteam davon aus, in Zukunft komplexere chemische Reaktionsprozesse mit höherer Zeitauflösung beobachten und sogar wichtige Energieübertragungsschritte in realen Photosynthesesystemen direkt untersuchen zu können.
Brancheninsider wiesen darauf hin, dass die Bedeutung dieser Leistung nicht nur darin liegt, eine spezifische Reaktion zu sehen, sondern auch in der Etablierung einer neuen Beobachtungsmethode. In der Vergangenheit konnten Wissenschaftler elektronische Veränderungen oder molekulare Strukturänderungen normalerweise nur separat untersuchen. Jetzt können sie die Koevolution des Reaktionszentrums und der umgebenden Umgebung gleichzeitig beobachten, was ein neues Fenster für zukünftige Forschungen zu Lebensprozessen und Energieumwandlungsmechanismen öffnet.
Kommentare