Sezioni d'urto assolute scalate per atomo di ossigeno. Sezioni d'urto assolute per atomo di ossigeno per un intervallo di frequenza più ampio come derivato dalle misurazioni XAS su complessi di protoni idrati e sull'acqua in acetonitrile. Credito:Angewandte Chemie International Edition (2022). DOI:10.1002/anie.202211066
Il Prof. Ehud Pines è un iconoclasta. Cos'altro si può chiamare uno scienziato che ha trascorso 17 anni a perseguire ostinatamente la soluzione a un problema di chimica di oltre 200 anni che secondo lui non ha mai ricevuto una risposta soddisfacente usando metodi che nessun altro scienziato pensava potesse portare alla verità? Ora è rivendicato come Angewandte Chemie ha pubblicato un articolo di copertina che descrive in dettaglio come il suo esperimento è stato replicato da un altro gruppo di ricerca mentre veniva sottoposto a raggi X per rivelare la soluzione per cui il Prof. Pines ha sempre sostenuto.
La domanda a portata di mano è:come si muove un protone nell'acqua? Nel 1806, Theodor Grotthuss propose la sua teoria, che divenne nota come il meccanismo di Grotthuss. Nel corso degli anni, molti altri hanno tentato una soluzione aggiornata rendendosi conto che, a rigor di termini, Grotthuss non era corretto, ma è rimasta la risposta standard da manuale. Fino ad ora.
Il Prof. Ehud Pines ha suggerito, sulla base dei suoi studi sperimentali presso l'Università Ben-Gurion del Negev, insieme al suo dottorato di ricerca. la studentessa Eve Kozari, e gli studi teorici del Prof. Benjamin Fingerhut sulla struttura degli ammassi d'acqua protonati del Prof. Pines, che il protone si muove attraverso l'acqua in treni di tre molecole d'acqua.
I treni protonici "costruiscono i binari" sotto di loro per il loro movimento, quindi smontano i binari e li ricostruiscono davanti a loro per andare avanti. È un ciclo di tracce che scompaiono e riappaiono che continua all'infinito. Idee simili sono state avanzate in passato da numerosi scienziati, tuttavia, secondo il Prof. Pines, non sono state assegnate alla corretta struttura molecolare del protone idratato che, per le sue proprietà strutturali trimeriche uniche, porta a promuovere il meccanismo di Grotthuss.
"I dibattiti sul meccanismo di Grotthuss e sulla natura della solvatazione dei protoni nell'acqua si sono accesi", afferma il prof. Pines, "poiché questa è una delle sfide più basilari della chimica. Comprendere questo meccanismo è pura scienza, spingendo i confini del nostro conoscenza e modificando una delle nostre comprensioni fondamentali di uno dei più importanti meccanismi di trasporto di massa e di carica della Natura."
Mentre negli ultimi anni ulteriori studi teorici hanno confermato le scoperte del Prof. Pines sul protone idratato ospitato da una catena di tre molecole d'acqua, la maggior parte della comunità scientifica globale che lavora nel campo è rimasta riluttante ad accettare il modello emergente del Prof. Pines per la solvatazione dei protoni e movimento in acqua. Quindi, il Prof. Pines ha contattato i collaboratori di lunga data del Max Born Institute in Germania.
Hanno messo insieme un gruppo di ricerca internazionale organizzato dal dottor Erik Nibbering e hanno replicato l'esperimento, questa volta radiografando il sistema chimico. L'esperimento a raggi X, che richiedeva apparecchiature appositamente progettate per un costo di milioni di dollari finanziati dal Consiglio europeo della ricerca, ha confermato le scoperte del Prof. Pines.
L'esperimento di assorbimento dei raggi X (XAS) ha misurato l'effetto della carica protonica sulla struttura degli elettroni interni dei singoli atomi di ossigeno delle acque. Come previsto dal Prof. Pines, si è riscontrato che tre molecole d'acqua sono maggiormente interessate dalla presenza del protone, ciascuna in misura diversa, e, insieme al protone, formano catene di 3 molecole d'acqua protonate o "treni".
"Tutti hanno pensato a questo problema per oltre 200 anni, quindi per me è stata una sfida sufficiente per decidere di affrontarlo. Diciassette anni dopo, sono molto probabilmente soddisfatto di aver trovato e dimostrato la soluzione", afferma il Prof. Pines.
La prossima edizione dei libri di chimica del college potrebbe sostituire la descrizione del meccanismo di Grotthuss con il "Meccanismo dei pini", un'idea che stuzzica il prof. Pines, ma è solo una curiosità rispetto alla rivelazione di comprendere questo meccanismo di base di uno dei più comuni e processi fondamentali in natura. + Esplora ulteriormente
