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”.
Budowanie torów dla cząsteczek wody
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
Słowa kluczowe
XRayProton, SMART-X, proton, hydratowany proton, cząsteczka wody, Grotthuss
