Forskere fra DTU Fysik og DTU Kemi har i samarbejde med forskere fra Japan, Sverige, Tyskland, Ungarn og USA som de første fulgt en elektron hele vejen gennem et molekyle; fra det øjeblik elektronen blev aktiveret af sollys indtil dets endestation på den del af molekylet, der kan bruge elektronen til at drive en kemisk reaktion, fx at splitte vand.
Stort potentiale i kontrol af elektroners bevægelse
De nye resultater, der netop er blevet publiceret i Nature Communications, føjer endnu en brik til det store puslespil, det er at forstå naturens fotosyntese, dvs. hvordan planterne absorberer og gemmer solens energi i kemiske bindinger. En øget forståelse af processen åbner op for at efterligne den i kunstig fotosyntese, hvor vi kan udnytte solens energi til fx at lave mere miljøvenlige brændstoffer.
”Der er et meget stort potentiale i fotokatalytiske systemer. Hvis vi kan lære at kontrollere elektronoverførslen i lysabsorberende molekyler får vi mulighed for at udnytte de aktiverede elektroners overskud af energi til at producere brændstoffer eller elektricitet uden store tab til varme. Derfor er indsigten i elektroners bevægelse i gennem molekyler så vigtig”, fortæller professor Martin Meedom Nielsen fra DTU Fysik, der har ledet studiet.
Elektronbevægelser mange gange hurtigere end lydens hastighed
Lysaktiveret elektronoverførsel imellem atomerne i et molekyle er en af de vigtigste begivenheder i biologiske molekyler. Det er dog også en begivenhed, der finder sted på så ultrahurtig en tidsskala – elektroners bevægelser skal måles i femtosekunder, dvs. 10-15 s – at det kræver helt specielt og højt avanceret udstyr at fange elektronernes spring.
Ved hjælp af en såkaldt fri elektronlaser (SACLA ved Osaka i Japan), der sender impulser afsted med en varighed på under 100 femtosekunder, kombineret med avanceret røntgenudstyr lykkedes det forskerne at følge elektronens vej gennem et bi-metallisk ruthenium-kobolt molekyle. Det viste sig, at elektronen bevægede sig fra det lysabsorberende ruthenium-center via en bro i molekylet til det katalytisk aktive kobolt-center og at det tog elektronen mindre end 500 femtosekunder at krydse broen mellem de to metalcentre i molekylet. Det betyder, at elektronen bevægede sig med knap ti gange lydens hastighed.
Hidtil har man blot antaget, at elektronen naturligvis startede sin rejse i det lysabsorberende center og endte i det katalytisk aktive område af molekylet. Men det er første gang, at nogen har formået at følge en så kompleks og hurtigt reaktion og skelne alle reaktionstrin fra hinanden.
”Jeg synes, det er et af de mest interessante studier, vi har lavet. Det viser, at man kan tage skridtet fra simple modelsystemer, hvor man blot følger elektronens bevægelse i et lille område af molekylet til at studere systemer, der er ’tæt på anvendelser’. Vores system indeholder hele kæden fra det område i molekylet, der absorberer lyset, danner en fri elektron, som så sendes til et andet område i molekylet, der i tilsvarende systemer kan bruge elektronen til en katalytisk reaktion”, slutter Martin Meedom Nielsen direkte fra fri elektronlaseren LCLS i Stanford, USA, hvor han netop nu er i gang med nye eksperimenter.
Læs artiklen her:
Visualizing the non-equilibrium dynamics of photoinduced intramolecular electron transfer with femtosecund X-ray pulses
Læs mere om femtosekundlasere og elektronspring:
"Forskerne optager molekylær film af elektroners hurtige spring" - Ingeniøren, 7. maj 2014
Om ultrahurtige processer i proteiner: "Sådan klarer planter solens skrappe stråler" - Videnskab.dk, 11. august 2014
Den japanske frielektronlaser SACLA
Sådan virker den europæiske fri-elektronlaser
"Dansk udstyr i verdens kraftigste røntgenlaser" - Ingeniøren, 19. december 2012
"A look at the world's most powerful X-ray laser" – BBB, 16. februar 2015. Kort video om verdens pt kraftigste røntgenlaser ved SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) i Palo Alto i Californien (engelsk).
Læs om et af DTU forskernes tidligere besøg ved fri elektronlaseren SACLA i Japan: ”72 timer der kan oplyse verden” – DTU Avisen, november 2012