Bij basisprocessen in de chemie en biologie zijn protonen betrokken in een wateromgeving. Waterstructuren die protonen herbergen en hun bewegingen zijn tot nu toe ongrijpbaar gebleven. Ultrasnelle vibrationele spectroscopie toepassen, onderzoekers hebben fluctuerende protonenoverdrachtsbewegingen in kaart gebracht en direct bewijs geleverd dat protonen in vloeibaar water voornamelijk worden gedeeld door twee watermoleculen. Femtoseconde protonverlengingen binnen een hydratatieplaats zijn 10 tot 50 keer sneller dan protonen naar een nieuwe plaats springen, de elementaire protonoverdrachtsstap in de chemie.

het proton, de positief geladen kern H+ van een waterstofatoom en de kleinste chemische soort, is een belangrijke speler in de chemie en biologie. Zuren geven protonen af ​​in een vloeibare wateromgeving waar ze zeer mobiel zijn en het transport van elektrische lading domineren. In de biologie, de gradiënt van protonconcentratie over celmembranen is het mechanisme dat de ademhaling en energieopslag van cellen aandrijft. Zelfs na tientallen jaren van onderzoek, echter, de moleculaire geometrieën waarin protonen in water zijn ondergebracht en de elementaire stappen van protondynamica zijn zeer controversieel gebleven.

Protonen in water worden gewoonlijk beschreven met behulp van twee beperkende structuren (Fig. 1A). In het Eigen-complex (H9O4+) (links), het proton maakt deel uit van het centrale H3O+-ion, omgeven door drie watermoleculen. In het Zundel-kation (H5O2+) (rechts), het proton vormt sterke waterstofbruggen met twee flankerende watermoleculen. Een beschrijving op moleculair niveau maakt gebruik van het potentiële energie-oppervlak van het proton (Fig. 1B) dat duidelijk verschillend is voor de twee beperkende geometrieën. Zoals getoond in Fig. 1B, men verwacht een anharmonisch enkel-minimumpotentieel voor de Eigen-soort en een dubbel minimumpotentieel voor de Zundel-soorten. In vloeibaar water, dergelijke potentialen zijn zeer dynamisch van aard en ondergaan zeer snelle fluctuaties als gevolg van thermische bewegingen van omringende watermoleculen en het proton.

Onderzoekers van het Max Born Instituut in Berlijn, Duitsland, en de Ben Gurion Universiteit van de Negev in Beer-Sheva, Israël, hebben nu de ultrasnelle bewegingen en structurele kenmerken van protonen in water onder omgevingsomstandigheden opgehelderd. Ze rapporteren experimentele en theoretische resultaten in Wetenschap die het Zundel-kation identificeren als een overheersende soort in vloeibaar water. De femtoseconde (1 fs =10 ^-15 s) dynamiek van protonbewegingen werd in kaart gebracht via vibratieovergangen tussen protonkwantumtoestanden (rode en blauwe pijlen in figuur 1B). De geavanceerde methode van tweedimensionale vibratiespectroscopie levert de geel-rode en blauwe contouren in figuur 2A die het energiebereik markeren dat door de twee overgangen wordt bestreken. De blauwe contour komt voor bij hogere detectiefrequenties dan de rode, geeft het eerste directe bewijs voor het dubbelminimumkarakter van de protonpotentiaal in de natuurlijke waterige omgeving. In tegenstelling tot, de blauwe contour zal naar verwachting verschijnen bij kleinere detectiefrequenties dan de rode.

De oriëntatie van de twee contouren evenwijdig aan de verticale frequentie-as laat zien dat de twee trillingsovergangen een enorm frequentiebereik verkennen binnen minder dan 100 fs, een kenmerk van ultrasnelle modulaties van de vorm van protonpotentiaal. Met andere woorden, het proton verkent alle locaties tussen de twee watermoleculen binnen minder dan 100 fs en verliest heel snel de herinnering aan waar het eerder was. De modulatie van de protonpotentiaal wordt veroorzaakt door het sterke elektrische veld dat wordt opgelegd door de watermoleculen in de omgeving. Hun snelle thermische beweging resulteert in sterke veldfluctuaties en, dus, potentiële energiemodulaties op een tijdschaal van minder dan 100 fs. Dit beeld wordt ondersteund door benchmarkexperimenten met Zundel-kationen die selectief zijn bereid in een ander oplosmiddel en door gedetailleerde theoretische simulaties van protondynamica (figuur 2B).

Een specifiek Zundel-kation in water transformeert in nieuwe proton-accommoderende geometrieën door het verbreken en opnieuw vormen van waterstofbruggen. Dergelijke processen zijn veel langzamer dan de trillende protonenbeweging en vinden plaats op een tijdschaal van enkele picoseconden. Dit nieuwe beeld van protondynamica is zeer relevant voor protonentransport door het bekende Von Grotthuss-mechanisme, en voor protontranslocatiemechanismen in biologische systemen.