Rozwiązanie odwiecznego problemu w świecie chemii

W jaki sposób protony poruszają się w wodzie? Teoria zaproponowana przez chemika Theodora Grotthussa przeszło dwa wieki temu była zadowalająca dla większości badaczy, ale nie dla profesora Ehuda Pinesa z Uniwersytetu Ben Guriona na Negewie (BGU) w Izraelu. Po trwających 17 lat badaniach znalazł potwierdzenie swojej teorii dzięki wsparciu innej grupy badaczy, którzy w ramach finansowanych ze środków Unii Europejskiej projektów XRayProton oraz SMART-X odtworzyli jego doświadczenia, wykazując tym samym słuszność jego rozwiązania. Treść badania, którego współautorem jest prof. Pines, została opublikowana na łamach międzynarodowego wydania czasopisma naukowego „Angewandte Chemie”.Jak czytamy w informacji prasowej opublikowanej w witrynie internetowej Uniwersytetu Ben Guriona, prof. Pines wskazywał, że protony poruszają się w wodzie w łańcuchach złożonych z trzech cząsteczek wody: „Ciąg protonów »buduje pod nimi tory«, by umożliwić im ruch, a następnie rozmontowuje je i odbudowuje przed cząsteczkami – dzięki temu zjawisku ruch może odbywać się w sposób ciągły. Tory pojawiają się i znikają w ramach niekończącej się pętli, która powtarza się przez cały czas trwania procesu”. Chociaż podobne teorie były wysuwane przez różnych naukowców w przeszłości, w informacji prasowej czytamy, że cząsteczki wody „nie zostały przypisane do prawidłowej struktury molekularnej hydratowanego protonu, który przez swoje wyjątkowe trimeryczne właściwości strukturalne sprzyja działaniu mechanizmu Grotthussa”.

Jak wyjaśnia prof. Pines: „Dyskusje dotyczące działania mechanizmu Grotthusa oraz charakter zachowania protonów w wodzie są stosunkowo ożywione ze względu na fakt, że jest to jedno z najbardziej podstawowych zagadnień i wyzwań w świecie chemii. Zrozumienie tego mechanizmu stanowi zagadnienie czysto naukowe, ponadto przesuwa granice naszej wiedzy i zmienia podstawowe pojęcia na temat jednego z najważniejszych w przyrodzie mechanizmów transportu masy i ładunku”.

Aby stawić czoła niechęci światowej społeczności naukowej do zaakceptowania rozwiązania polegającego na tym, że hydratowany proton mieści się w łańcuchu trzech cząsteczek wody, prof. Pines połączył siły z zespołem badaczy z Niemiec i Szwecji. Zespół naukowy pod kierownictwem starszego autora dra Erika Nibberinga, pracownika niemieckiego Instytutu Optyki Nieliniowej i Spektroskopii Impulsowej im. Maxa Borna, powtórzył doświadczenie przeprowadzone przez badacza. W ramach badania naukowcy prześwietlili układ chemiczny przy pomocy specjalnych urządzeń sfinansowanych w ramach grantu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, co pozwoliło im na potwierdzenie odkryć prof. Pinesa – obecność protonu ma największy wpływ na trzy cząsteczki wody, jednak wpływa na nie w różnym stopniu. W połączeniu z protonem, cząsteczki te tworzą ciągi złożone z trzech molekuł wody.

„Wielu chemików zmagało się z tym problemem od ponad dwustu lat, dlatego uznałem, że to wystarczająco ważne wyzwanie, którym mogę się zająć. Siedemnaście lat później jestem niezwykle szczęśliwy, że z dużym prawdopodobieństwem udało mi się odkryć i udowodnić jego rozwiązanie”, mówi prof. Pines, którego wypowiedź została przytoczona w informacji prasowej.

Badanie wspierane częściowo ze środków projektów XRayProton (Ultrafast Structural Dynamics of Elementary Water-Mediated Proton Transport Processes) oraz SMART-X (Study of carrier transport in MAterials by time-Resolved specTroscopy with ultrashort soft X-ray light) pozwoliło na opracowanie nowego podejścia, które skupia się na stopniowym przejściu od silnych oddziaływań orbitalnych hydratowanego protonu i okolicznych cząsteczek wody do zmian energii orbitalnej wywoływanych w bardziej odległych molekułach. Jak twierdzą naukowcy, badania te „przyczynią się do usprawnienia badań nad stanami ustalonymi hydratowanych protonów oraz badaniach w czasie mechanizmów transportu protonów w wodzie”.

Więcej informacji:

strona projektu SMART-X

projekt XRayProton