Dansen mellan elektroner och protoner får en ny twist

Men hjälp av ljusenergi kan man flytta elektroner och protoner och därigenom skapa energirika tillstånd. Men elektronen och protonen vill gärna rymma tillbaka till ursprungsläget. I en ny artikel i Science visar forskare från Yale och Uppsala att ju högre energi man har lagrat, desto längre tid tar det för läget att gå tillbaka. Tvärt emot hur kemiska reaktioner normalt beter sig.

Kemiska reaktioner där elektroner och protoner överförs mellan molekyler ligger till grund för många viktiga processer inom kemin och biologin. Det gäller så vitt skilda processer som reaktioner i bränsleceller, kopiering och reparation av DNA, samt de reaktioner i våra mitokondrier där vi utvinner energi ur födoämnen. Ett framtida exempel är konstgjord fotosyntes för att göra bränslen från solenergi och vatten. Där spjälkar man vatten till syrgas genom att ta fyra elektroner och fyra protoner från två vattenmolekyler. Samtidigt kombinerar man elektroner och protoner till vätgas, som ett förnybart bränsle. Kan vi kontrollera hur överföringar av elektroner och protoner kopplar till varandra kan vi omvandla solenergin mer effektivt.

I en ny artikel i den vetenskapliga tidskriften Science beskriver forskare från Uppsala universitet, tillsammans med kollegor vid Yale University, hur man lyckats påvisa ett viktigt fenomen. Forskarna har fångat in ljus med hjälp av en molekyl och använt ljusenergin för att överföra en elektron och en proton till en annan del av samma molekyl. Då bildas ett mycket energirikt tillstånd som man kan utnyttja för vidare reaktioner. Men ett stort problem är att elektronen och protonen mycket snabbt kan gå tillbaka dit de kom ifrån, vilket kallas rekombination, och då har man förlorat all energi.

Vad forskarna nu har visat är att rekombinationen går långsammare ju högre energi man har lagrat, vilket är tvärt emot hur kemiska reaktioner normalt beter sig. Fenomenet är känt för relaterade reaktioner av rena elektronöverföringar, och kallas för ”Marcus inverterade region” efter R. A. Marcus (Nobelpris 1992), men på teoretiska grunder har man trott att detta fenomen inte kan uppstå för proton-kopplade elektronöverföringar. Resultatet är av stort grundläggande intresse och öppnar för nya möjligheter att designa kemiska system för bland annat omvandling av solenergi till ett bränsle.

För mer information kontakta: Leif Hammarström, professor vid institutionen för kemi - Ångström, Uppsala universitet, tel: 0704-250832 e-post: leif.hammarstrom@kemi.uu.se

Giovanny A. Parada, Zachary K. Goldsmith, Scott Kolmar, Belinda Pettersson Rimgard, Brandon Q, Mercado, Leif Hammarström, Sharon Hammes-Schiffer, James M. Mayer (2019) Concerted proton-electron transfer reactions in the Marcus inverted region, Science