Uno studio collaborativo di spettroscopia ultraveloce e simulazioni ab initio di dinamica molecolare mostra che le vacanze protoniche sotto forma di ioni idrossido/metossido sono importanti per il trasferimento di protoni tra acidi e basi quanto i protoni in eccesso idratati (H ₃ oh ⁺ , h ₅ oh ₂ ⁺ ), indicando così una chiara richiesta di raffinamento del quadro microscopico per il trasporto di protoni acquosi, in soluzione così come nelle celle a combustibile a idrogeno o nelle proteine ​​transmembrana, lontano dal ruolo dominante attualmente spesso assunto dei protoni in eccesso idratati. Lo studio è stato recentemente pubblicato dagli scienziati del Max Born Institute of Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) e della Martin-Luther-University Halle-Wittenberg (MLU) nella rinomata Giornale della Società Chimica Americana .

Lo scambio di protoni tra due gruppi chimici (neutralizzazione acido-base) è stato per molti anni un problema di chimica da manuale. Sorprendentemente, fino ad oggi non sono state ottenute nuove conoscenze fondamentali sulle fasi elementari del trasporto protonico. Questo può benissimo risiedere nel fatto che i passaggi elementari (dai protoni o dalle vacanze protoniche) avvengono su scale temporali estremamente brevi, che non sono accessibili con le tecniche di laboratorio convenzionali (Figura 1). L'osservazione di questi passaggi elementari di reazione, quanto realizzato dai gruppi di ricerca di MBI e MLU richiede quindi l'accesso diretto a scale temporali di 1-100 picosecondi (0.000000000001 fino a 0.0000000001 secondi), che necessitano di un set-up sperimentale con una conseguente alta risoluzione temporale e sistemi informatici ad alte prestazioni.

I gruppi di ricerca hanno studiato congiuntamente un particolare sistema modello (7-idrossichinolina in miscele acqua/metanolo), dove un impulso laser ultracorto innesca la deprotonazione di un gruppo OH e la protonazione di un atomo di azoto. La cronologia precisa dei passaggi elementari con questa classe di reazioni chimiche è rimasta sfuggente, portando a numerose speculazioni. Gli scienziati dell'MBI e dell'MLU sono stati ora in grado di determinare che il rilascio di un protone dal gruppo OH al solvente è davvero ultraveloce, tuttavia la captazione di un protone da parte dell'atomo di azoto è ancora più veloce. Ciò si traduce in un meccanismo di trasporto di vacanze protoniche, cioè di ioni idrossido/metossido. Le fasi elementari della reazione sono state chiarite con spettri IR risolti nel tempo e calcoli chimici quantistici dettagliati (vedi Figura 2).