Po 17 latach badań rozwiązano ponad 200-letni chemiczny problem. Tak właśnie znajduje się „świętego Graala”
Naukowiec, który dokonał odkrycia, przez media już jest nazywany „obrazoburcą”. Dla wielu sposób poruszania się protonu w wodzie był „świętym Graalem” chemii fizycznej. W jaki sposób dokonano odkrycia?
Prof. Ehud Pines poświęcił aż 17 lat swojego życia, badając sposób poruszania się protonów w wodzie. Według niego do tej pory nie uzyskano satysfakcjonującego rozwiązania ponad 200-letniego problemu chemicznego, o którym można mówić, że jest wręcz "świętym Graalem" chemii fizycznej. W końcu inny zespół naukowy powtórzył eksperyment Pinesa dowodząc, że jego badania są właściwe.
Jak porusza się proton w wodzie?
Teorią próbującą odpowiedzieć na powyższe pytanie była stworzona w 1806 roku teoria znana jako mechanizm Grotthussa. Według tej koncepcji proton, który jest związany w jonie hydroniowym (H3O+) przemieszcza się do bliskiej cząsteczki H2O poprzez wiązanie wodorowe. Następnie cząsteczka, która przyjmuje dodatkowy proton, oddaje jeden ze swoich protonów kolejnej cząsteczce wody.
Do tej pory wielu próbowało uaktualnić tę koncepcję, a przez wielu była ona traktowana jako niepoprawna. Prof. Ehud Pines wraz ze swoim zespołem naukowym zaproponował, że proton porusza się w wodzie w ciągach trzech cząsteczek wody. Ciągi te budują "specjalnego rodzaju tory", po których przemieszczają się protony, następnie "drogi" te są naturalnie demontowane. Jest to swego rodzaju pętla znikających i powracających ścieżek.
Zdaniem prof. Pinesa do tej pory nie przypisywano tym ciągom prawidłowej budowy molekularnej "uwodnionego protonu", który dzięki swoim unikalnym właściwościom strukturalnym prowadzi do powstania mechanizmu Grotthussa.
Debaty na temat mechanizmu Grotthussa i natury solwatacji protonów w wodzie stały się gorące. Ponieważ jest to jedno z najbardziej podstawowych wyzwań w chemii. Zrozumienie tego mechanizmu jest czystą nauką, przesuwając granice naszej wiedzy i zmieniając jedno z naszych podstawowych rozumień jednego z najważniejszych mechanizmów transportu masy i ładunku w przyrodzie
Nowe badania dotyczące protonów
W ostatnich latach przeprowadzono badania teoretyczne, które potwierdziły odkrycie prof. Pinesa. Jednakże o pełnym sukcesie nie było mowy, ponieważ nie zrealizowano odpowiednich eksperymentów potwierdzających, że teorię można zastosować w praktyce.
Potwierdzenia przypuszczeń podjął się międzynarodowy zespół kierowany przez dr Erika Nibberinga. W ramach swoich badań prześwietlili oni układ chemiczny wody. Do tego został specjalnie zaprojektowany sprzęt, który kosztował miliony dolarów. Jak się okazało eksperyment rentgenowski, potwierdził wcześniejsze odkrycie prof. Pinesa.
Naukowcy za pomocą absorpcji promieniowania rentgenowskiego (XAS) zmierzyli, jaki ma wpływ ładunek protonowy na strukturę wewnętrznych elektronów pojedynczych atomów tlenu w wodzie. Tak jak przewidział prof. Pines, stwierdzono, że trzy cząsteczki wody są "najbardziej dotknięte obecnością protonu", każda w różnym stopniu, a razem z protonem tworzą łańcuchy trzech cząsteczek wody, coś na kształt "pociągu".
- Wszyscy myśleli o tym problemie przez ponad 200 lat, więc było to dla mnie wystarczające wyzwanie, aby zdecydować się, go podjąć. Siedemnaście lat później cieszę się, że najprawdopodobniej znalazłem i zademonstrowałem rozwiązanie - powiedział prof. Pines. Najprawdopodobniej w najbliższym czasie dojdzie do zmian w książkach uniwersyteckich, gdzie opis mechanizmu Gtotthussa zastąpi "mechanizm Pinesa", który stał się "objawieniem" dla jednego z najczęstszych i najbardziej fundamentalnych procesów w przyrodzie. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Angewandte Chemie International Edition.
