Il modo in cui l'acqua solva e trasporta i protoni è una questione fondamentale che deve affrontare sia i chimici che i biologi ed è vitale per la nostra comprensione di processi come la fotosintesi e la respirazione cellulare.

Un team di ricercatori dell'Università di Chicago ha utilizzato la spettroscopia IR 2-D a banda larga per rivelare il comportamento dei protoni quando acidi come l'HCl si dissociano in acqua. Sebbene i libri di testo di chimica generale insegnino tipicamente che il protone si associa all'acqua come ione idronio H ₃ O+, hanno scoperto che il protone è fortemente legato tra due molecole d'acqua e che le strutture sono prevalentemente asimmetriche.

"Stiamo costruendo previsioni fatte attraverso la modellazione computazionale, compreso il lavoro di Greg Voth, professore di chimica all'Università di Chicago, che è leader nello sviluppo di modelli computazionali per il trasferimento di protoni in acqua pura e sistemi biologici, " disse Joseph Fournier, assistente professore di chimica presso la Washington University di St. Louis ed ex borsista post-dottorato di Arnold O. Beckman presso l'Università di Chicago. "Però, le sfide sperimentali e tecniche affrontate nello studio del protone nell'acqua hanno lasciato questi modelli non verificati. Riteniamo che questo studio offra la visione sperimentale più completa sulla natura complicata del modo in cui l'acqua interagisce con i protoni".

Lo studio è stato reso possibile grazie ai progressi nel campo della spettroscopia IR 2-D sviluppati nel gruppo di Andrei Tokmakoff, professore di chimica all'Università di Chicago e coautore del documento. 2-D IR utilizza brevi impulsi laser a infrarossi per catturare istantanee delle strutture delle molecole prima che possano muoversi. Una volta in grado di catturare un'istantanea, i ricercatori hanno scoperto che c'erano molte variazioni strutturali possibili quando un protone era condiviso tra due molecole d'acqua, e che queste strutture persistono più a lungo di quanto si pensasse in precedenza.

"Per esempio, il protone potrebbe essere nel mezzo o leggermente inclinato. Oppure le due molecole d'acqua potrebbero essere a distanze variabili l'una dall'altra, " disse Fournier.

Questi dati verranno ora utilizzati per migliorare i modelli computazionali, che aiuterà i ricercatori a determinare quantitativamente la natura di queste distribuzioni strutturali e a capire perché queste strutture persistono più a lungo di quanto si pensasse in precedenza. Inoltre, Il co-autore e ricercatore studente laureato William Carpenter intende studiare come le strutture evolvono nel tempo mentre il protone si sposta da una molecola d'acqua all'altra.

Fournier prevede inoltre di applicare la ricerca sul trasporto protonico ai processi catalitici.

"Molti chimici stanno cercando di sviluppare catalizzatori che imitano ciò che fanno le piante:dividere l'acqua per nuove fonti di energia pulita, " ha detto. "I processi catalitici come la scissione dell'acqua si basano su più eventi di trasferimento di protoni. Capire come funziona a livello molecolare potrebbe aiutarci a usare l'acqua come combustibile".