Επιστήμονες αποκρυπτογράφησαν το μυστικό της φύσης: Πώς μεταφέρει την ενέργεια με τόσο απόλυτη αποτελεσματικότητα

Το μυστικό της απόλυτης ενεργειακής απόδοσης της φύσης έρχεται στο φως μέσα από ένα σπουδαίο επιστημονικό επίτευγμα που υπόσχεται να φέρει επανάσταση στην πράσινη τεχνολογία.

Για δισεκατομμύρια χρόνια, οι ζωντανοί οργανισμοί μεταφέρουν και μετατρέπουν την ενέργεια όπως συμβαίνει στη φωτοσύνθεση- με μια αξεπέραστη αποτελεσματικότητα που η ανθρωπότητα προσπαθεί εδώ και δεκαετίες να αντιγράψει. Σήμερα, χάρη σε πρωτοποριακές τεχνικές απεικόνισης, οι επιστήμονες κατάφεραν για πρώτη φορά να «φωτογραφίσουν» τις αόρατες, αστραπιαίες κινήσεις των σωματιδίων που κάνουν αυτό το θαύμα εφικτό.

Η ανακάλυψη αυτή δεν λύνει μόνο ένα διαχρονικό βιολογικό μυστήριο, αλλά ανοίγει διάπλατα τον δρόμο για τις τεχνολογίες του μέλλοντος, από πιο αποδοτικές μπαταρίες μέχρι καθαρά καύσιμα.

Ερευνητές κατέγραψαν τα βασικά στάδια μιας χημικής αντίδρασης που βοηθά τη φύση να μεταφέρει ενέργεια με αξιοσημείωτη αποτελεσματικότητα. Οι υπερταχείες ακτίνες Χ αποκάλυψαν ότι οι αλλαγές που αφορούν τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια είναι στενά συνδεδεμένες με την αναδιάταξη των γύρω μορίων του νερού.

Δεδομένου ότι παρόμοιες αντιδράσεις τροφοδοτούν τη φωτοσύνθεση και άλλες διαδικασίες μετατροπής ενέργειας, η τεχνική αυτή θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να αναπτύξουν καλύτερους καταλύτες, κυψέλες καυσίμου και μπαταρίες ροής. Ορισμένες από τις πιο σημαντικές αντιδράσεις στη φύση βασίζονται στη συντονισμένη κίνηση θετικά και αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων.

Οι αντιδράσεις αυτές είναι θεμελιώδεις για διαδικασίες όπως η φωτοσύνθεση, η κατάλυση και η βιολογική μετατροπή ενέργειας, όμως συμβαίνουν τόσο γρήγορα που ο άμεσος εντοπισμός και η παρατήρησή τους είναι εξαιρετικά δύσκολη.

Μια ομάδα με επικεφαλής το Εθνικό Εργαστήριο Pacific Northwest του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, σε συνεργασία με ερευνητές από το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC και διάφορα πανεπιστήμια, κατάφερε τώρα να αποτυπώσει «στιγμιότυπα» αυτών των γεγονότων, αφότου αυτά πυροδοτήθηκαν από το φως που προσέκρουσε σε ένα μόριο.

Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications, θα μπορούσαν να εμβαθύνουν την κατανόηση των επιστημόνων για αυτές τις αντιδράσεις και τελικά να συμβάλουν στη δημιουργία βελτιωμένων μπαταριών ροής, κυψελών καυσίμου και καταλυτών. Στο επίκεντρο της μελέτης βρίσκεται η συντονισμένη κίνηση των θετικά φορτισμένων πρωτονίων και των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων. Αυτός ο τύπος μεταφοράς ενέργειας συγκαταλέγεται στους πιο αποτελεσματικούς που είναι γνωστοί στη φύση.

Τα φυτά χρησιμοποιούν παρόμοιες διαδικασίες για να δεσμεύσουν την ενέργεια από το ηλιακό φως και να τη μετατρέψουν σε αποθηκευμένη χημική ενέργεια. Όταν τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια κινούνται με συντονισμένο τρόπο, τα μόρια μπορούν να αποφύγουν ενδιάμεσα στάδια που διαφορετικά θα απαιτούσαν περισσότερη ενέργεια.

Αυτό μπορεί να κάνει μια αντίδραση τόσο ταχύτερη όσο και πολύ πιο αποδοτική. Οι ερευνητές εξέτασαν πώς συνδέονται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας οι αλλαγές στην ηλεκτρονική δομή ενός μορίου, η άφιξη ενός πρωτονίου και οι μετατοπίσεις στο γύρω υδάτινο περιβάλλον.

«Φωτογραφίζοντας» το αόρατο: Η καταγραφή της αντίδρασης σε μοριακό επίπεδο

Οι επιστήμονες μελετούν αυτή την αλληλεπίδραση εδώ και δεκαετίες, όμως κανένα προηγούμενο πείραμα δεν είχε καταφέρει να αποτυπώσει τη διαδικασία σε μία ενιαία μελέτη που να προσφέρει ταυτόχρονα τοπική και δομική ευκρίνεια. Οι προηγμένες τεχνικές ακτίνων Χ στην πηγή Linac Coherent Light Source του SLAC, σε συνδυασμό με κορυφαίους υπολογισμούς κβαντικής χημείας και προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, προσέφεραν μια ασυνήθιστα λεπτομερή εικόνα.

Η πειραματική χημική φυσικός του PNNL Ελίζα Μπιαζίν (Elisa Biasin), ο πρώην επιστήμονας του PNNL Αμπντουλάχ Καχραμάν (Abdullah Kahraman) και οι θεωρητικοί του PNNL Νιραντζάν Γκόβιντ (Niranjan Govind) και Άμιτι Άντερσεν (Amity Andersen) συνεργάστηκαν με άλλους ερευνητές για να μελετήσουν μια αντίδραση μεταφοράς ηλεκτρονίου συζευγμένης με πρωτόνιο (PCET) που καθοδηγείται από το φως.

Η ομάδα συνδύασε την υπερταχεία φασματοσκοπία ακτίνων Χ, τη σκέδαση ακτίνων Χ και προηγμένες προσομοιώσεις για να αποτυπώσει σημαντικά στάδια της αντίδρασης. Για πρώτη φορά με δομική ευκρίνεια, οι ερευνητές κατάφεραν να δείξουν πώς αλλάζει η ηλεκτρονική δομή ενός μορίου σε συγκεκριμένες θέσεις καθώς προσλαμβάνει ένα πρωτόνιο, ενώ την ίδια στιγμή αναδιοργανώνεται το γύρω υδάτινο περιβάλλον.

«Καταγράψαμε για πρώτη φορά πώς οι ηλεκτρονικές αλλαγές που σχετίζονται με τη μεταφορά πρωτονίων συνδέονται με την αναδιοργάνωση του γύρω διαλύτη», δήλωσε η Μπιαζίν. «Αυτό μας προσφέρει έναν νέο τρόπο για να κατανοήσουμε πώς τα μόρια και το περιβάλλον τους εξελίσσονται μαζί κατά τη διάρκεια θεμελιωδών χημικών μετασχηματισμών».

Γιατί η συντονισμένη κίνηση των σωματιδίων αλλάζει τα δεδομένα στην ενέργεια

Η διαδικασία PCET (μεταφορά ηλεκτρονίου συζευγμένης με πρωτόνιο) διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο σε ολόκληρη τη φύση. Τα φυτά βασίζονται σε αυτήν κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης για να δεσμεύσουν το φως, ενώ τα ζώα χρησιμοποιούν παρόμοιες διεργασίες για να μετατρέψουν αποτελεσματικά την τροφή σε ενέργεια.

Συμμετέχει επίσης σε πολλές άλλες μορφές βιολογικής και χημικής μετατροπής ενέργειας. Όσον αφορά το συγκεκριμένο πειραματικό σύστημα που εξετάστηκε σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές γνωρίζουν ήδη τον βασικό μηχανισμό. Ωστόσο, παραμένουν πολλά ερωτήματα σχετικά με άλλες αντιδράσεις PCET, ειδικά ως προς τον ακριβή χρονισμό και τη σειρά με την οποία κινούνται τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια.
«Συμβαίνουν ταυτόχρονα ή όχι; Σε ποια μοριακή θέση; Και πώς το δίκτυο του νερού διευκολύνει το “άλμα” του πρωτονίου;» αναρωτήθηκε η Μπιαζίν.

«Αυτά είναι μερικά από τα πιθανά ανοιχτά ερωτήματα. Για να απαντηθούν, χρειάζεται υπερταχεία χρονική ανάλυση, χημική και δομική ευκρίνεια, καθώς και ευθυγράμμιση με τη θεωρία. Κάναμε ένα βήμα μπροστά για να ρίξουμε φως σε αυτά τα ζητήματα».

Η νέα μέθοδος προσφέρει στους ερευνητές έναν τρόπο να διερευνήσουν αυτά τα ερωτήματα πιο άμεσα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι τοπικές αλλαγές στην ηλεκτρονική δομή συμβαίνουν παράλληλα με μια ευρύτερη αναδιάταξη του γύρω δικτύου νερού καθώς το μόριο προσλαμβάνει ένα πρωτόνιο. Η δυνατότητα εξέτασης αυτών των συνδεδεμένων αλλαγών θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει τους ερευνητές να σχεδιάσουν πιο αποδοτικούς καταλύτες, κυψέλες καυσίμου, μπαταρίες ροής και άλλες τεχνολογίες για τη μετατροπή και την αποθήκευση ενέργειας.

Στα άδυτα της ύλης: Ακολουθώντας τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και το νερό

Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις είναι η ταχύτητα. Τα ηλεκτρόνια κινούνται σε εξαιρετικά σύντομα χρονικά κλίμακες και τα πρωτόνια κινούνται σχεδόν εξίσου γρήγορα. Ταυτόχρονα, τα μόρια του νερού που περιβάλλουν τα αντιδρώντα μόρια μετατοπίζονται και αναδιοργανώνονται συνεχώς με τρόπους που είναι παροιμιωδώς δύσκολο να παρατηρηθούν άμεσα.

Προηγούμενα πειράματα μπορούσαν να αποτυπώσουν μεμονωμένα τμήματα αυτής της διαδικασίας, αλλά δεν ήταν σε θέση να προσφέρουν μια συνδυασμένη εικόνα τόσο των ηλεκτρονικών αλλαγών στο εσωτερικό του μορίου όσο και της αναδιοργάνωσης που συντελείται γύρω από αυτό.

Για να δημιουργήσουν ένα σύστημα που θα ήταν ευκολότερο να ερμηνευθεί, η Μπιαζίν και οι συνεργάτες της επέλεξαν ένα καλά μελετημένο μόριο με βάση το ρουθήνιο. Το μόριο αυτό απορροφά το φως και, σε όξινες συνθήκες, δεσμεύει ένα πρωτόνιο από το περιβάλλον του.

«Επιλέξαμε το μεταλλικό σύμπλοκο που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη επειδή δεν υφίσταται πρόσθετες ηλεκτρονικές και δομικές αναδιατάξεις που περιπλέκουν την ερμηνεία των σημάτων των ακτίνων Χ, επιτρέποντάς μας έτσι να απομονώσουμε τα σήματα που σχετίζονται με την κίνηση των ηλεκτρονίων, των πρωτονίων και του διαλύτη», δήλωσε ο Κρίστοφερ Λάρσεν (Christopher Larsen), συν-ερευνητής και επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Όκλαντ της Νέας Ζηλανδίας.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μεθόδους χαρακτηρισμού με χρονική ανάλυση στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης, προκειμένου να προσδιορίσουν τις βέλτιστες πειραματικές συνθήκες και τις χρονικές κλίμακες για τις μετρήσεις με ακτίνες Χ.

Η ισχύς εν τη ενώσει: Ακτίνες Χ και ψηφιακές προσομοιώσεις ξεκλειδώνουν τα μυστικά των μορίων

Για την παρακολούθηση των όσων συνέβησαν κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, η ομάδα συνδύασε δύο συμπληρωματικές μεθόδους ακτίνων Χ. Η ειδική ανά στοιχείο φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων Χ, με τη χρήση του οργάνου chemRIXS, έδειξε πώς μετακινήθηκαν τα ηλεκτρόνια ανάμεσα σε διαφορετικές μοριακές θέσεις.

Την ίδια στιγμή, η χρονικά αναλυμένη σκέδαση ακτίνων Χ από το όργανο Φασματοσκοπίας Συσχέτισης Ακτίνων Χ (XCS) κατέγραψε την αναδιάταξη των ατόμων, συμπεριλαμβανομένης της κίνησης των μορίων του διαλύτη γύρω από την αντίδραση. Η ομάδα βασίστηκε επίσης σε μεγάλο βαθμό σε θεωρητικά μοντέλα προσομοίωσης.

Οι Γκόβιντ και Άντερσεν συνεισέφεραν αντίστοιχα με χρονικά εξαρτώμενη θεωρία συναρτησιοειδούς πυκνότητας (TD-DFT) και προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής. Αυτοί οι υπολογισμοί ήταν κρίσιμης σημασίας για την ερμηνεία των περίπλοκων σημάτων των ακτίνων Χ και την αποκάλυψη της υποκείμενης συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων. Ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Αμπντουλάχ Καχραμάν, τόνισε ότι ο συνδυασμός αυτών των μεθόδων ήταν απολύτως απαραίτητος.

«Η κατανόηση της φωτοχημείας αυτού του συμπλόκου μάς ανάγκασε να ξεπεράσουμε τα όρια της ανάλυσης των δεδομένων μας. Συνδυάζοντας τη φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων Χ με την ακριβή θεωρητική μοντελοποίηση, αποκτήσαμε μια άνευ προηγουμένου εικόνα για τις ηλεκτρονικές αλλαγές σε πραγματικό χρόνο που καθοδηγούν αυτές τις αντιδράσεις», δήλωσε ο Καχραμάν, ο οποίος εργάστηκε στο έργο αυτό στο SLAC “(SLAC National Accelerator Laboratory”) κατά τη διάρκεια της μεταδιδακτορικής του έρευνας στο PNNL (“Pacific Northwest National Laboratory”).

Ο Γκόβιντ υπογράμμισε τη θεωρητική πλευρά της έρευνας: «Αν και επρόκειτο για μια ανακάλυψη βασισμένη στο πείραμα, η θεωρητική μας εργασία προσέφερε την απαραίτητη ερμηνεία σε μοριακό επίπεδο για να μετατραπούν οι μετρήσεις των ακτίνων Χ σε μια λεπτομερή εικόνα του υποκείμενου συντονισμού ανάμεσα στην κίνηση των πρωτονίων, των ηλεκτρονίων και του διαλύτη».

Ένας σημαντικός περιορισμός: Η άλλη όψη του νομίσματος στην επιστημονική ανακάλυψη

Η Μπιαζίν σημείωσε ότι το πείραμα δεν μπορούσε να παρατηρήσει άμεσα το ίδιο το πρωτόνιο. «Η σκέδαση ακτίνων Χ βλέπει κυρίως άτομα που είναι πλούσια σε ηλεκτρόνια, και έτσι το πρωτόνιο δεν είναι άμεσα ορατό», ανέφερε. «Ωστόσο, παρατηρούμε την τοπική αναδιοργάνωση της ηλεκτρονικής δομής, μαζί με τη συνολική αναδιοργάνωση των δικτύων του νερού, και μπορούμε να βγάλουμε συμπεράσματα βασιζόμενοι στη συμφωνία μεταξύ των δεδομένων και των υπολογισμών».

Ακόμη και με αυτόν τον περιορισμό, η συνδυαστική προσέγγιση με ακτίνες Χ παρέχει ένα πλαίσιο το οποίο οι ερευνητές μπορούν πλέον να εφαρμόσουν σε αντιδράσεις PCET σε πιο περίπλοκα χημικά συστήματα.
«Πολλές από τις πιο σημαντικές χημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν ηλεκτρόνια, πρωτόνια και το γύρω περιβάλλον τους που κινούνται μαζί σε υπερταχείες χρονικές κλίμακες», δήλωσε ο Ρομπέρτο Αλόνσο Μόρι (Roberto Alonso Mori), ανώτερος επιστήμονας στο SLAC και συν-συγγραφέας της μελέτης.

«Συνδυάζοντας συμπληρωματικές τεχνικές ακτίνων Χ στο LCLS, αυτή η εργασία προσφέρει μια μοναδικά ολοκληρωμένη εικόνα αυτών των συζευγμένων διαδικασιών, ανοίγοντας νέες ευκαιρίες για την κατανόηση και, τελικά, τον έλεγχο της χημείας που υποστηρίζει τη μετατροπή ενέργειας και την κατάλυση». Ο συν-συγγραφέας και επιστήμονας του προσωπικού του SLAC Ντέιβιντ Χόφμαν (David Hoffman) πρόσθεσε:

«Αυτό είναι ένα σημαντικό πρώτο βήμα για τον συνδυασμό της σκέδασης ακτίνων Χ και της φασματοσκοπίας με σκοπό τη μελέτη αυτών των περίπλοκων διαδικασιών σε ένα μοντέλο συστήματος. Με την καλύτερη αναλογία σήματος προς θόρυβο που προσφέρει η αναβάθμιση LCLS-II, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις μεθόδους για να λύσουμε πραγματικά προβλήματα στην κατάλυση και τη συλλογή ενέργειας».

Ποιοι χρηματοδότησαν την έρευνα: Η διεθνής υποστήριξη πίσω από το επιστημονικό επίτευγμα

Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) —συγκεκριμένα από τις Διευθύνσεις Βασικών Ενεργειακών Επιστημών, Χημικών Επιστημών, Γεωεπιστημών και Βιοεπιστημών— μέσω του προγράμματος Μοριακής Επιστήμης Συμπυκνωμένης Φάσης και Διεπιφανειών (CPIMS) και του προγράμματος Ατομικών, Μοριακών και Οπτικών Επιστημών (AMOS) στο PNNL.
Η χρήση της πηγής Linac Coherent Light Source στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC χρηματοδοτείται επίσης από το Γραφείο Επιστημών του DOE.

Μέρος της έρευνας διεξήχθη επιπλέον στο Εργαστήριο Περιβαλλοντικών Μοριακών Επιστημών (EMSL), μια εγκατάσταση του Γραφείου Επιστημών του DOE που βρίσκεται στο PNNL.