La cuestión de con qué precisión se mueven los protones a través del agua en un campo eléctrico ha fascinado a los científicos durante siglos. Ahora, más de 200 años después de la última gran revelación del fenómeno, los científicos tienen algo de claridad.
En 1806, Theodor Grotthuss planteó una hipótesis, que llegó a ser conocida como la mecanismo de Grotthus para ‘salto de protones’, sobre cómo una carga podría fluir a través de una solución de agua.
Si bien la hipótesis de Grotthuss fue muy progresista para su época, llegando antes protones
Los últimos hallazgos sobre el tema pueden haber descifrado el misterio al resolver las estructuras electrónicas de los protones hidratados que han permanecido esquivos durante tanto tiempo.
Los hallazgos sugieren que los protones se mueven a través del agua en ‘trenes’ de tres molécu las de agua, con ‘pistas’ construidas frente al tren a medida que avanza y se detiene una vez que pasa.
Este bucle puede continuar indefinidamente para transportar protones a través del agua. Si bien la idea se sugirió anteriormente, el nuevo estudio asigna una estructura molecular diferente que se adapta mejor a la solución propuesta por Grotthuss, según los autores del estudio.
“Los debates sobre el mecanismo de Grotthuss y la naturaleza de la solvatación de protones en el agua se han acalorado, ya que este es uno de los desafíos más básicos de la química”. dice el químico Ehud Pines de la Universidad Ben-Gurion del Negev en Israel.
El nuevo estudio es convincente porque combina un enfoque teórico con la experimentación física. posible gracias a los recientes avances tecnológicos. Los investigadores utilizaron un espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) para monitorear cómo las cargas de protones afectaron a los electrones en los átomos de oxígeno individuales del agua.
Como se predijo, el impacto fue mayor en tres moléculas de agua, aunque en diferentes grados en cada molécula individual. dentro del grupo trimérico. Los investigadores encontraron los grupos de tres moléculas formando cadenas con el protón.
Los investigadores también incorporaron simulaciones y cálculos químicos a nivel cuántico para determinar las interacciones entre los protones y las moléculas de agua vecinas a medida que los protones se mueven a través del líquido.
“Comprender este mecanismo es ciencia pura, ampliar los límites de nuestro conocimiento y cambiar una de nuestras interpretaciones fundamentales de uno de los mecanismos de transporte de carga y masa más importantes de la naturaleza”. dice pinos.
El descubrimiento juega en muchos otros procesos químicosincluida la fotosíntesis, la respiración celular y el transporte de energía en pilas de combustible de hidrógeno.
No es solo la solución lo que es notable, sino también cómo los investigadores pudieron llegar a ella: probar y validar las predicciones teóricas contra los resultados experimentales, y viceversa, en un proceso largo y sinuoso que ha llevado casi dos décadas de principio a fin.
“Todos pensaron en este problema durante más de 200 años, por lo que fue un desafío suficiente para que decidiera abordarlo”. dice pinos. “Diecisiete años después, me complace haber encontrado y demostrado la solución”.
La investigación ha sido publicada en Edición Internacional de Química Aplicada.