La domanda su quanto accuratamente i protoni si muovano attraverso l’acqua in un campo elettrico ha affascinato gli scienziati per secoli. Ora, a più di 200 anni dall’ultima intuizione del fenomeno, gli scienziati hanno una certa chiarezza.
Nel 1806 Theodor Grottos avanzò un’ipotesi nota come Meccanismo delle grotte Per “salto di protoni”, su come la carica scorre attraverso una soluzione di acqua.
Considerando che l’ipotesi delle Grotte era un pensiero molto progressista per il suo tempo – precedente protonio anche l’effettiva struttura dell’acqua, era persino nota: i ricercatori moderni sapevano da tempo che non forniva una comprensione completa di ciò che accadeva a livello molecolare.
Le ultime scoperte su questo argomento potrebbero aver svelato il mistero risolvendo le strutture elettroniche dei protoni dell’acqua che sono rimaste sfuggenti per molto tempo.
I risultati suggeriscono che i protoni si muovono attraverso l’acqua in “treni” di tre molecole d’acqua, con “binari” costruiti davanti al treno mentre avanza e tirando verso l’alto una volta che è passato.
Questo ciclo può continuare indefinitamente a spostare i protoni attraverso l’acqua. Sebbene l’idea sia stata proposta in precedenza, il nuovo studio identifica una diversa struttura molecolare che meglio si adatta alla soluzione proposta da Grottos, secondo gli autori dello studio.
“Le discussioni sul meccanismo delle Grottos e sulla natura della solubilità del protone in acqua si sono accese, perché questa è una delle sfide più fondamentali in chimica”, Il chimico Ehud Pines dice: dell’Università Ben-Gurion del Negev in Israele.
Il nuovo studio è interessante perché combina un approccio teorico con la sperimentazione fisica Reso possibile dai moderni progressi tecnologici. I ricercatori hanno usato Spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS) per osservare come le cariche protoniche influiscono sugli elettroni nei singoli atomi di ossigeno nell’acqua.
Come previsto, l’effetto è stato maggiore su tre molecole d’acqua, anche se in misura diversa su ogni singola molecola all’interno del triplo blocco. I ricercatori hanno trovato gruppi di tre molecole che formano catene con il protone.
I ricercatori hanno anche combinato simulazioni chimiche e calcoli a livello quantistico per determinare le interazioni tra i protoni e le molecole d’acqua vicine mentre i protoni si muovevano attraverso il liquido.
“Capire questo meccanismo è pura scienza, spingendo i confini della nostra conoscenza e cambiando uno dei nostri concetti di base per uno dei più importanti meccanismi di trasporto di massa e spedizione in natura”, dice Baines.
Questa scoperta gioca un ruolo importante Altri processi chimicicompresa la fotosintesi, la respirazione cellulare e il trasferimento di energia nelle celle a combustibile a idrogeno.
Non solo la straordinaria soluzione, ma anche il modo in cui i ricercatori ci sono arrivati: testare e convalidare le previsioni teoriche rispetto ai risultati sperimentali e viceversa, in un processo lungo e tortuoso che ha richiesto quasi due decenni dall’inizio alla fine.
“Tutti hanno pensato a questo problema per oltre 200 anni, quindi è stato abbastanza difficile per me decidere di affrontarlo”, dice Baines. “Diciassette anni dopo, sono grato di aver probabilmente trovato e dimostrato la soluzione”.
La ricerca è stata pubblicata in Angewandte Chemie edizione internazionale.
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