Ultraszybka Spektroskopia Fluorescencyjna w obserwacji transferu elektronów

Podstawą wszystkich reakcji chemicznych jest proces przenoszenia elektronów z jednego atomu na drugi. Transfer elektronów jest przedmiotem intensywnych badań, zarówno w obszarze chemii, jak i biologii. W trakcie interakcji dwóch cząsteczek przeniesienie elektronów zajmuje czas rzędu femtosekund (fsec =10^-15 s). Oznacza to, że badania nad tym procesem wymagają bardzo czułych czasowo technik, jak spektroskopia.

Już od ponad dwudziestu lat naukowcy starają się zrozumieć, w jaki sposób elektron odchodzi od atomu lub cząsteczki, porusza się w przestrzeni, w rozpuszczalniku, a na końcu łączy się z atomem lub cząsteczką akceptora. Dotychczasowe wysiłki nie przynosiły oczekiwanych rezultatów, głównie ze względu na bardzo krótkie okresy czasowe związane z transferem elektronów. Problemem jest też to, że cząsteczki w najczęstszym rozpuszczalniku - wodzie, są polarne, co oznacza, że wpływają na ruch elektronów. Zrozumienie procesu przenoszenia elektronów w czasie rzeczywistym jest niezwykle istotne ze względu na wydajność reakcji chemicznych.

Grupa badaczy z Lozanny przeprowadziła eksperymenty, mające na celu wizualizowanie przenoszenia elektronów w rozpuszczalniku, jakim jest woda. Za pomocą techniki ultraszybkiej spektroskopii fluorescencyjnej badacze obserwowali odejście elektronu w różnych odstępach czasu, między 60 fsec i 450 fsec. Poprzednie badania zawsze ograniczały się do przedziału od 200 – 300 fsec. Eksperyment polegał na wzbudzeniu jodku znajdującego się w wodzie światłem ultrafioletowym, powodując tym samym odłączenie się elektronu od wzbudzonego atomu.

Uzyskane wyniki pokazały, że wyjście elektronu w dużej mierze zależy od konfiguracji cząsteczek rozpuszczalnika wokół jodku. Elektrony znajdują się w pewnego rodzaju klatce. Pojęcie efektu „klatki rozpuszczalnika" oznacza w chemii sposób, w jaki rozpuszczalnik utrzymuje atomy w miejscu. Naukowcy odkryli, że spolaryzowane cząsteczki wody utrzymują przez jakiś czas wzbudzony elektron w miejscu, powodując re-aranżację struktury rozpuszczalnika. Jednocześnie obniżeniu ulega siła napędowa, z jaką elektron jest odrywany od donora. Klatka rozpuszczalnika nie powoduje, że elektrony całkowicie się zatrzymują, ale powoduje rozciągnięcie czasowe ich przyłączania do akceptora.

Przedstawione w ostatnim wydaniu „Nature Communications" pokazały, jak istotny wpływ na transfer elektronów ma konkretny rozpuszczalnik. Badania w tym obszarze nie mogą się ograniczać do donora i akceptora elektronów. Kluczową rolę w procesie może mieć odpowiednie dobranie rozpuszczalnika.

(pj)