Tüm canlılar, en küçük alglerden en büyük hayvanlara kadar, enerjinin bir formdan diğerine aktarılmasıyla ilgili temel süreçlere bağlıdır. Örneğin fotosentez, ışık enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesini içerirken, solunum glikozu ATP adı verilen enerji taşıyan bir moleküle dönüştürür. Bu süreçler olmadan, bildiğimiz gibi yaşam mümkün olmazdı.
Enerjinin nasıl bir formdan diğerine dönüştürüldüğünü anlamak için, hem negatif yüklü elektronların hem de pozitif yüklü protonların bir atomdan diğerine geçişini gözlemleyebileceğiniz moleküler seviyeye inmeniz gerekir—bu süreç proton-kuşaklı elektron transferi (PCET) reaksiyonu olarak bilinir.
Elektronlar ve protonların bağlanması, atomun genel yükünü etkilemediği için inanılmaz derecede verimli bir sistem oluşturur. Ancak aynı zamanda son derece hızlıdır, bu da onu gözlemlemeyi çok zorlaştırır. Şimdi,
Nature Communications
dergisinde yayınlanan araştırmacılar, molekül ve çevresindeki suyun geçirdiği değişikliklerin ilk kez görüntülerini elde ettiler.
Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı’ndaki (PNNL) baş araştırmacı Elisa Biasin, “Son derece hızlı zaman ölçeklerinde—pikosekeler veya trilyonda bir saniye—bir moleküldeki belirli bir atomik bölgenin proton almasıyla ne olduğunun izlerini südük. Özellikle, bu bölgeye nasıl yük aktığının ve çevresindeki su moleküllerinin buna nasıl tepki verdiğinin değişimini gözlemleyebildik” dedi.
Şimdiye kadar, bu farklı bileşenlerin birlikte nasıl geliştiğini doğrudan gözlemlemek zordu.
Araştırmacılar, PCET’in “görüntülerini” nasıl elde ettiler?
Ekip, ışığı absorbe eden ve asidik koşullar altında çevresinden protonları yakalayan bir rutenyum bazlı molekül kullandı. Daha sonra, elemente özgü X-ışını absorpsiyonu ve zaman çözümlü X-ışını saçılması gibi çeşitli ultra hızlı X-ışını teknikleri kullanarak, araştırmacılar elektronların moleküler bölgeler arasındaki hareketi ve PCET reaksiyonu sırasında çevresindeki suyun nasıl yeniden düzenlendiğini izledi.
Biasin, X-ışını saçılmasının bir kamerayla dizi fotoğraf çekmeye benzetilebilir—”Ancak ‘kameramız’ son derece kısa X-ışını darbeleri kullanır ve görüntüler X-ışını saçılması sinyalindeki değişikliklerden yeniden oluşturulur.”
“Reaksiyonu ışıkla tetikledikten sonra, X-ışını saçılması sinyalindeki değişiklikleri ölçerek, çevresindeki su moleküllerinin dağılımının ve düzenlenmesinin nasıl değiştiğini belirleyebiliriz” dedi Biasin.
Ekibin deneysel araştırmaları, hesaplamalar ve teorik hesaplamalarla birleştirildi. Bu araçlar ve bilgiler, araştırmacıların X-ışını sinyallerini yorumlamalarına ve bu sinyalleri hem moleküldeki hem de çevresindeki belirli değişikliklere bağlamalarına yardımcı oldu.
Bu ilişki karşılıklı çalışır. Aynı zamanda ekip üyesi olan Auckland Üniversitesi’ndeki Kimya Bölümü Kıdemli Yrd. Doçenti Christopher Larsen, “Hesaplamalar, deneysel gözlemleri yorumlamamıza yardımcı olurken, deneysel ölçümler moleküler modellerin katı testlerini sağlar” dedi.
“İki arasındaki uyum, hesaplamalarda tanımlanan moleküler süreçlerin, deneysel olarak gözlemlediğimiz dinamiklerden sorumlu olduğuna dair güvenimizi artırır” diye ekledi Larsen.
Biasin, reaksiyonu bir kalabalığın içinden geçen birinin yarattığı etkiye benzetiyor.
“İlk foto-uyarımı çok hızlı—bu, bir kişinin aniden pozisyon değiştirmesine benziyor” diye açıkladı Biasin. “Çevredeki insanlar daha sonra tepki verir ve kendilerini yeniden düzenler, ancak hepsi aynı anda hareket etmez. Bazı değişiklikler neredeyse hemen gerçekleşirken, diğerleri çok daha uzun sürer.”
PCET’de araştırmacılar, elektronların yeniden dağılımının son derece hızlı olduğunu, ancak protonların hareketi ve molekülün çevresindeki suyun yeniden düzenlenmesinin daha uzun sürdüğünü fark ettiler.
“Önemli olan nokta, molekül ve çevresinin sürekli olarak birbirine tepki vermesidir” dedi Biasin.
PCET ve pil tasarımı
Araştırma öncelikle temel bilgi sağlamakla sınırlı olsa da, enerji depolama ve enerji koruma alanlarında pratik uygulamaları olabilir.
Moleküler seviyede neler olduğuna dair daha derin bir anlayış, mühendislerin akışkan pillerin, yakıt hücrelerinin ve katalizörlerin verimliliğini ve tasarımını iyileştirmelerine yardımcı olabilir.
