Hoe water protonen oplost en transporteert, is een fundamentele vraag waarmee chemici en biologen worden geconfronteerd en is van vitaal belang voor ons begrip van processen zoals fotosynthese en cellulaire ademhaling.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Chicago gebruikte breedband 2-D IR-spectroscopie om het gedrag van protonen te onthullen wanneer zuren zoals HCl dissociëren in water. Hoewel algemene scheikundeboeken doorgaans leren dat het proton met water associeert als een hydroniumion H ₃ O+, ze ontdekten dat het proton sterk gebonden is tussen twee watermoleculen en dat de structuren overwegend asymmetrisch zijn.

"We bouwen voort op voorspellingen die zijn gedaan door middel van computationele modellering, waaronder het werk van Greg Voth, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Chicago, die een leider is in het ontwikkelen van computermodellen voor protonoverdracht in zuiver water en biologische systemen, " zei Joseph Fournier, assistent-professor scheikunde aan de Washington University in St. Louis en voormalig Arnold O. Beckman postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Chicago. "Echter, de experimentele en technische uitdagingen bij het bestuderen van het proton in water hebben deze modellen ongeverifieerd gelaten. We zijn van mening dat deze studie de meest uitgebreide experimentele kijk biedt op de gecompliceerde aard van hoe water interageert met protonen."

De studie werd mogelijk gemaakt door vooruitgang op het gebied van 2-D IR-spectroscopie, ontwikkeld in de groep van Andrei Tokmakoff, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Chicago en co-auteur van het papier. 2-D IR maakt gebruik van korte infrarood laserpulsen om snapshots van de structuren van moleculen vast te leggen voordat ze kunnen bewegen. Eenmaal in staat om een ​​momentopname vast te leggen, onderzoekers ontdekten dat er veel structurele variaties mogelijk waren wanneer een proton werd gedeeld tussen twee watermoleculen, en dat deze structuren langer aanhouden dan eerder werd gedacht.

"Bijvoorbeeld, het proton kan in het midden of een beetje scheef staan. Of de twee watermoleculen kunnen verschillende afstanden van elkaar hebben, ' zei Fournier.

Deze gegevens zullen nu worden gebruikt om rekenmodellen te verbeteren, die onderzoekers zal helpen de aard van deze structurele distributies kwantitatief te bepalen en te begrijpen waarom deze structuren langer aanhouden dan eerder werd gedacht. Aanvullend, co-auteur en afgestudeerde student-onderzoeker William Carpenter is van plan te bestuderen hoe de structuren in de tijd evolueren terwijl het proton van het ene watermolecuul naar het andere gaat.

Fournier is ook van plan het onderzoek naar protonentransport toe te passen in katalytische processen.

"Veel chemici proberen katalysatoren te ontwikkelen die nabootsen wat planten doen - water splitsen voor nieuwe schone energiebronnen, " zei hij. "Katalytische processen zoals watersplitsing zijn afhankelijk van meerdere protonenoverdrachtsgebeurtenissen. Als we begrijpen hoe dit op moleculair niveau werkt, kunnen we water als brandstof gebruiken."