Les estructures d'hidratació de protons són asimètriques

La manera en què l'aigua es dissol i transporta els protons és una qüestió fonamental per a químics i biòlegs i és fonamental per la nostra comprensió de processos com la fotosíntesis i la respiració cel·lular.

Un equip d'investigadors de la Universitat de Chicago va utilitzar l'espectroscòpia de banda ampla de 2-D per revelar el comportament de protons quan els àcids com l'HCl es dissocien a l'aigua. Encara que els llibres de text de química general normalment ensenyen que el protó s'associa amb l'aigua com un ion hidronial H3O+, es va  descobrir que el protó està fortament lligat entre dues molècules d'aigua i que les estructures són predominantment asimètriques.

S'estan construint les prediccions fetes a través de la modelització computacional, inclòs el treball de Greg Voth, professor de química de la Universitat de Chicago, que és líder en el desenvolupament de models computacionals per a la transferència de protons en aigua pura i sistemes biològics. No obstant això, els reptes experimentals i tècnics a què s'enfrontava l'estudi del protó a l'aigua han deixat sense verificar aquests models. Es creu que aquest estudi ofereix la visió experimental més completa sobre la complicada naturalesa de com l'aigua interactua amb els protons.

L'estudi va ser possible gràcies a avenços en el camp de l'espectroscòpia IR-2 desenvolupada al grup d'Andrei Tokmakoff, professor de química de la Universitat de Chicago i coautor del document. L'IR 2-D utilitza polsos làser infrarojos curts per capturar instantànies de les estructures de les molècules abans de poder moure's. Un cop capaç de capturar una instantània, els investigadors van trobar que hi va haver moltes variacions estructurals possibles quan es compartia un protó entre dues molècules d'aigua i que aquestes estructures persisteixen més del que es pensava anteriorment. Per exemple, el protó podria estar al mig o una mica esbiaixat. O les dues molècules d'aigua podrien variar distàncies entre si.

Aquestes dades s'utilitzaran ara per millorar els models computacionals, que ajudaran els investigadors a determinar quantitativament la naturalesa d'aquestes distribucions estructurals i comprendre per què aquestes estructures persisteixen més del que es pensava anteriorment. A més, el coautor i investigador de postgrau William Carpenter té la intenció d'estudiar com evolucionar les estructures en el temps a mesura que el protó passa d'una molècula d'aigua a la següent. Fournier també planeja aplicar la recerca del transport de protons en processos catalítics.

Molts químics estan tractant de desenvolupar catalitzadors que imiten el que fan les plantes, dividint l'aigua per a noves fonts d'energia neta. Els processos catalítics com la divisió d'aigua es basen en múltiples esdeveniments de transferència de protons. Comprendre com funciona això a nivell molecular podria ajudar a utilitzar l' aigua com a combustible.

Font: Universitat de Chicago