Científicos logran observar cómo la naturaleza mueve energía de manera eficiente

Investigadores del Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste, en colaboración con el SLAC National Accelerator Laboratory y varias universidades, lograron capturar pasos clave en una reacción química que permite a la naturaleza transferir energía con una notable eficiencia. Utilizando rayos X ultrarrápidos, el equipo reveló cómo los cambios que involucran electrones y protones están íntimamente relacionados con la reorganización de las moléculas de agua circundantes.

Las reacciones observadas son fundamentales para procesos naturales como la fotosíntesis, la catálisis y la conversión biológica de energía, y su comprensión podría llevar al desarrollo de mejores catalizadores, celdas de combustible y baterías de flujo. Las conclusiones del estudio, publicadas en Nature Communications, brindan una nueva perspectiva sobre cómo se producen estas reacciones en tiempos extremadamente cortos, que anteriormente resultaban difíciles de observar.

El estudio se centró en el movimiento coordinado de protones, que son partículas cargadas positivamente, y electrones, que tienen carga negativa. Este tipo de transferencia de energía es uno de los más eficientes conocidos en la naturaleza. Por ejemplo, las plantas utilizan procesos relacionados para capturar la energía del sol y convertirla en energía química almacenada.

Cuando los electrones y protones se mueven de manera coordinada, las moléculas pueden evitar pasos intermedios que requerirían más energía, lo que hace que una reacción sea más rápida y eficiente. Los investigadores examinaron cómo los cambios en la estructura electrónica de una molécula, la llegada de un protón y las alteraciones en el entorno acuático están conectados durante este proceso.

Capturando una reacción a nivel molecular

A pesar de que se ha estudiado esta interacción durante décadas, ningún experimento previo había logrado capturar el proceso en un solo estudio con sensibilidad tanto local como estructural. Las avanzadas técnicas de rayos X en el Linac Coherent Light Source en SLAC, combinadas con cálculos de química cuántica y simulaciones de dinámica molecular, proporcionaron una visión inusualmente detallada.

La fisicoquímica experimental de PNNL, Elisa Biasin, y otros investigadores trabajaron juntos para estudiar una reacción de transferencia de electrones acoplada a protones, conocida como PCET. Utilizando espectroscopia de rayos X ultrarrápida y dispersión de rayos X, el equipo logró capturar etapas importantes de la reacción. Por primera vez, los investigadores mostraron cómo la estructura electrónica de una molécula cambia en lugares específicos mientras gana un protón, mientras que el entorno acuático circundante se reorganiza simultáneamente.

Biasin expresó: "Hemos capturado por primera vez cómo los cambios electrónicos asociados con la transferencia de protones están acoplados a la reorganización del solvente circundante. Esto nos brinda una nueva forma de entender cómo las moléculas y sus entornos evolucionan juntas durante transformaciones químicas fundamentales".

Importancia de la transferencia de electrones acoplada a protones

La PCET juega un papel crucial en la naturaleza. Las plantas dependen de ella durante la fotosíntesis para cosechar luz, mientras que los animales utilizan procesos relacionados para convertir alimentos en energía de manera eficiente. Sin embargo, muchas preguntas permanecen sobre otras reacciones de PCET, especialmente en relación con el momento preciso y el orden en que se mueven electrones y protones.

Biasin planteó interrogantes sobre si estos movimientos ocurren simultáneamente, en qué sitio molecular, y cómo la red de agua facilita el salto de protones. La nueva metodología ofrece una vía para investigar estas cuestiones de manera más directa, mostrando que los cambios locales en la estructura electrónica ocurren junto con una reorganización más amplia de la red de agua a medida que la molécula gana un protón.

Comprender estos cambios conectados podría ayudar a los investigadores a diseñar catalizadores, celdas de combustible, baterías de flujo y otras tecnologías más eficientes para la conversión y almacenamiento de energía.

Siguiendo electrones, protones y agua

Uno de los principales desafíos es la velocidad. Los electrones se mueven en escalas de tiempo extremadamente cortas, y los protones se mueven casi tan rápido. Al mismo tiempo, las moléculas de agua que rodean a las moléculas en reacción cambian y se reorganizan de maneras que son notoriamente difíciles de observar directamente.

Experimentos anteriores habían podido capturar partes individuales de este proceso, pero no podían proporcionar una imagen combinada de los cambios electrónicos dentro de la molécula y la reorganización que ocurría a su alrededor. Para facilitar la interpretación, Biasin y su equipo seleccionaron una molécula basada en rutenio bien estudiada, que absorbe luz y, en condiciones ácidas, captura un protón de su entorno.

Los investigadores utilizaron métodos de caracterización temporales en la Universidad de Ginebra para identificar las mejores condiciones experimentales y escalas de tiempo para las mediciones de rayos X. Para rastrear lo que sucedía durante la reacción, el equipo combinó dos métodos complementarios de rayos X.

La espectroscopia de absorción de rayos X específica por elemento mostró cómo los electrones se movían entre diferentes sitios moleculares, mientras que la dispersión de rayos X temporales rastreó cómo se reorganizaban los átomos, incluyendo el movimiento de las moléculas de solvente alrededor de la reacción.

Limitaciones del estudio

A pesar de los avances, Biasin señaló que el experimento no pudo observar directamente el protón. "La dispersión de rayos X observa principalmente átomos ricos en electrones, por lo que el protón no se ve directamente", comentó. Sin embargo, se observó la reorganización local de la estructura electrónica junto con la reorganización global de las redes de agua, permitiendo a los investigadores hacer conclusiones basadas en la coincidencia entre datos y cálculos.

Aunque con esa limitación, el enfoque combinado de rayos X ofrece un marco que los investigadores pueden aplicar a reacciones de PCET en sistemas químicos más complicados. Roberto Alonso Mori, científico senior en SLAC, destacó: "Al combinar técnicas de rayos X, este trabajo ofrece una visión completa de estos procesos acoplados, abriendo nuevas oportunidades para entender y, en última instancia, controlar la química que subyace en la conversión y catálisis de energía".

Este estudio fue apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE, a través de varios programas en PNNL.