La question de savoir avec quelle précision les protons se déplacent dans l’eau dans un champ électrique fascine les scientifiques depuis des siècles. Maintenant, plus de 200 ans après le dernier aperçu du phénomène, les scientifiques ont une certaine clarté.
En 1806, Theodor Grottos a avancé une hypothèse connue sous le nom de Mécanisme des grottes Pour « saut de proton », sur la façon dont la charge s’écoule à travers une solution d’eau.
Alors que l’hypothèse de Grottos était une pensée très progressiste pour son époque – avant protonsou même la structure réelle de l’eau, était même connue – les chercheurs modernes savent depuis longtemps qu’elle ne fournissait pas une compréhension complète de ce qui s’est passé au niveau moléculaire.
Les dernières découvertes sur ce sujet ont peut-être percé le mystère en résolvant les structures électroniques des protons humides qui ont été insaisissables pendant si longtemps.
Les résultats suggèrent que les protons se déplacent dans l’eau en « trains » de trois molécules d’eau, avec des « voies » construites devant le train à mesure qu’il avance et tirant vers le haut une fois qu’il est passé.
Cette boucle peut continuer indéfiniment à déplacer des protons dans l’eau. Bien que l’idée ait déjà été proposée, la nouvelle étude identifie une structure moléculaire différente qui correspond le mieux à la solution proposée par Grotthuss, selon les auteurs de l’étude.
« Les discussions sur le mécanisme de Grottos et la nature de la solubilité du proton dans l’eau se sont intensifiées, car il s’agit de l’un des défis les plus fondamentaux de la chimie », Le chimiste Ehud Pines dit : de l’Université Ben Gourion du Néguev en Israël.
La nouvelle étude est convaincante car elle combine une approche théorique avec une expérimentation physique Rendu possible par les avancées technologiques récentes. Les chercheurs ont utilisé Spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) pour observer comment les charges de protons affectent les électrons dans des atomes d’oxygène simples dans l’eau.
Comme prévu, l’effet était plus important sur trois molécules d’eau, bien qu’à des degrés divers sur chaque molécule individuelle à l’intérieur du bloc triple. Les chercheurs ont trouvé des groupes de trois molécules qui forment des chaînes avec le proton.
Les chercheurs ont également combiné des simulations et des calculs chimiques au niveau quantique pour déterminer les interactions entre les protons et les molécules d’eau voisines lorsque les protons se déplaçaient dans le liquide.
« Comprendre ce mécanisme est une science pure, repoussant les limites de nos connaissances et changeant l’un de nos concepts de base pour l’un des mécanismes les plus importants du transport de masse et de la navigation dans la nature », Baines dit.
Cette découverte joue un grand rôle Autres procédés chimiquesy compris la photosynthèse, la respiration cellulaire et le transfert d’énergie dans les piles à hydrogène.
Non seulement la solution remarquable, mais aussi la façon dont les chercheurs y sont parvenus – testant et validant les prédictions théoriques par rapport aux résultats expérimentaux, et vice versa, dans un processus long et sinueux qui a duré près de deux décennies du début à la fin.
« Tout le monde réfléchit à ce problème depuis plus de 200 ans, c’était donc assez difficile pour moi de décider de le relever », Baines dit. « Dix-sept ans plus tard, je suis reconnaissant d’avoir probablement trouvé et démontré la solution. »
La recherche a été publiée dans Angewandte Chemie International Edition.