Een collaboratieve ultrasnelle spectroscopie en ab initio moleculaire dynamische simulatiestudie toont aan dat protonvacatures in de vorm van hydroxide/methoxide-ionen even relevant zijn voor protonoverdracht tussen zuren en basen als gehydrateerde overmaat protonen (H ₃ O ⁺ , H ₅ O ₂ ⁺ ), dus wijzend op een duidelijke vraag naar verfijning van het microscopische beeld voor waterige protonentransport - zowel in oplossing als in waterstofbrandstofcellen of transmembraaneiwitten - weg van de momenteel vaak veronderstelde dominante rol van gehydrateerde overtollige protonen. De studie is onlangs gepubliceerd door wetenschappers van het Max Born Institute of Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) en de Martin-Luther-University Halle-Wittenberg (MLU) in het gerenommeerde Tijdschrift van de American Chemical Society .

De uitwisseling van protonen tussen twee chemische groepen (zuur-base-neutralisatie) is al vele jaren een scheikundig probleem uit de handboeken. Verrassend genoeg, tot op heden is er geen nieuw fundamenteel inzicht verkregen in de elementaire stappen van protonentransport. Dit kan heel goed liggen in het feit dat de elementaire stappen (door protonen of protonvacatures) op extreem korte tijdschalen plaatsvinden, die niet toegankelijk zijn met conventionele laboratoriumtechnieken (Figuur 1). Observatie van deze elementaire reactiestappen, zoals bereikt door de onderzoeksteams van MBI en MLU vereist dus directe toegang tot tijdschalen van 1-100 picoseconden (0.000000000001 tot 0.0000000001 seconden), waarvoor een experimentele opstelling nodig is met een overeenkomstig hoge tijdsresolutie en krachtige computersystemen.

De onderzoeksteams hebben gezamenlijk een bepaald modelsysteem bestudeerd (7-hydroxyquinoline in water/methanol mengsels), waarbij een ultrakorte laserpuls de deprotonering van een OH-groep en de protonering van een stikstofatoom in gang zet. De precieze chronologie van de elementaire stappen met deze klasse van chemische reacties is ongrijpbaar gebleven, leidt tot tal van speculaties. De wetenschappers van de MBI en MLU hebben nu kunnen vaststellen dat de afgifte van een proton van de OH-groep aan het oplosmiddel inderdaad ultrasnel is, toch is de opname van een proton door het stikstofatoom nog sneller. Dit resulteert in een transportmechanisme van protonvacatures, d.w.z. van hydroxide/methoxide-ionen. De elementaire reactiestappen zijn opgehelderd met in de tijd opgeloste IR-spectra en gedetailleerde kwantumchemische berekeningen (zie figuur 2).