Resumo:
Uma reação química básica que apoia a fotossíntese, o metabolismo e numerosos processos de conversão de energia foi recentemente capturada por cientistas com uma precisão sem precedentes. Pela primeira vez, os pesquisadores observaram simultaneamente mudanças na estrutura eletrônica dentro da molécula e o processo de reorganização da rede molecular da água circundante, proporcionando uma nova perspectiva na compreensão dos principais mecanismos de reação na vida e nos sistemas energéticos.
Esta pesquisa foi concluída pelo Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, nos Estados Unidos, pelo Stanford Linear Accelerator Center e por diversas instituições de pesquisa científica. Os resultados da pesquisa mostram que quando ocorre uma importante reação de transferência de energia, as moléculas que participam da reação e o ambiente solvente circundante não mudam independentemente, mas evoluem juntas de uma maneira altamente acoplada.
O objeto de pesquisa é um processo denominado "transferência de elétrons acoplados a prótons" (PCET). Nesta reação, prótons com carga positiva e elétrons com carga negativa se movem simultaneamente, completando a transferência de energia. Numerosas atividades bioquímicas importantes na natureza dependem desse mecanismo, incluindo o uso da luz solar pelas plantas para a fotossíntese e os processos metabólicos pelos quais os organismos convertem alimentos em energia.
Os cientistas dizem que o movimento coordenado de prótons e elétrons pode ajudar as moléculas a contornar algumas etapas intermediárias que consomem energia, tornando assim as reações químicas mais rápidas e eficientes. Além das atividades vitais, mecanismos semelhantes também são amplamente encontrados em tecnologias energéticas, como catalisadores, células de combustível e baterias de fluxo.
No entanto, esta reação tem sido difícil de observar diretamente.
Os elétrons se movem extremamente rápido e os prótons se movem em velocidades muito semelhantes. Ao mesmo tempo, a rede de moléculas de água em torno das moléculas reagentes continuará a reorganizar-se dentro da mesma escala de tempo extremamente curta. Experimentos anteriores conseguiram capturar alguns desses processos, mas não conseguiram registrar simultaneamente a conexão entre as mudanças nos elétrons e as mudanças no ambiente do solvente.
Para superar esse problema, a equipe de pesquisa usou o dispositivo de laser de elétrons livres Linac Coherent Light Source no Stanford Linear Accelerator Center, nos Estados Unidos, para observar todo o processo de reação por meio de duas tecnologias complementares de raios X ultrarrápidas.
No experimento, os pesquisadores primeiro usaram a luz para excitar um sistema molecular especial e depois usaram continuamente raios X para detectar suas mudanças estruturais em um tempo muito curto. Ao mesmo tempo, a equipe de pesquisa também combinou cálculos de química quântica e simulações de dinâmica molecular para analisar e reconstruir os dados experimentais.
Os resultados finais mostram que quando uma molécula adquire um próton, sua distribuição interna de elétrons mudará significativamente em posições específicas, e a rede circundante de moléculas de água que estavam originalmente dispostas de forma estável também será reorganizada simultaneamente. Em outras palavras, as mudanças nas próprias moléculas ocorrem simultaneamente com as mudanças no ambiente, e não independentemente umas das outras.
Elisa Biasin, uma das líderes do projeto, disse que esta é a primeira vez que os cientistas observam diretamente como as mudanças na estrutura eletrônica associadas à transferência de prótons estão associadas à reorganização do ambiente solvente circundante. Este resultado fornece um novo método de pesquisa para compreender como as moléculas e o meio ambiente co-evoluem.
Para simplificar a análise, a equipe de pesquisa escolheu um sistema molecular fotossensível com rutênio como núcleo como objeto de pesquisa. Este sistema pode separar a transferência de elétrons, a transferência de prótons e as mudanças no ambiente aquático para evitar interferências causadas por processos químicos complexos.
Embora a experiência não possa capturar diretamente a trajetória do movimento do próprio próton, os pesquisadores ainda podem reconstruir todo o processo de reação através de mudanças na estrutura eletrônica e no arranjo atômico circundante.
Os investigadores acreditam que este resultado não só ajudará a explicar o mecanismo de conversão de energia na natureza, mas também poderá promover o desenvolvimento da próxima geração de tecnologia energética. Ao obter uma compreensão mais profunda de como os prótons e os elétrons se transferem juntos, os cientistas poderão projetar catalisadores, células de combustível e sistemas de armazenamento de energia mais eficientes no futuro.
Com a nova geração de instalações de laser de elétrons livres LCLS-II gradualmente colocadas em uso, a equipe de pesquisa espera ser capaz de observar processos de reações químicas mais complexos com maior resolução de tempo no futuro, e até mesmo estudar diretamente as principais etapas de transferência de energia em sistemas reais de fotossíntese.
Os membros da indústria salientaram que a importância desta conquista reside não apenas em observar uma reação específica, mas também em estabelecer um novo método de observação. No passado, os cientistas normalmente só podiam estudar alterações electrónicas ou alterações na estrutura molecular separadamente, mas agora podem observar simultaneamente a co-evolução do centro de reacção e do ambiente circundante, o que abre uma nova janela para futuras pesquisas sobre processos vitais e mecanismos de conversão de energia.
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