Protonverhalten in wässrigen Umgebungen
Ein Proton ist ein positiv geladenes Ion, ein Wasserstoffatom, dass sein einziges Elektron abgegeben hat. Im Vergleich zu anderen Ionen verfügen Protonen über eine außergewöhnlich hohe Mobilität in Wasser, die mit ihren Wechselwirkungen mit dem Wassernetzwerk selbst zu erklären sind. Die in Wasservolumen wirkenden Transportmechanismen wurden bereits detailliert untersucht. Bei den meisten Vorgängen existieren Protonen jedoch neben anderen gelösten Substanzen und durchlaufen interessante Geometrien wie z. B. Ionenkanäle und andere Architekturen. Wissenschaftler haben nun das Wissen über die weniger gut verstandenen Prozesse in diesen komplexen und stark verwirbelten Umgebungen vertieft. Durch EU-Unterstützung des Projekts "Aqueous proton mobility near ions and in nano-confined geometries" (PERTPROTONDYN) erhielten sie die Möglichkeiten, auf die sie gewartet hatten. Leistungsfähige nichtlineare Spektroskopieverfahren bildeten die Grundlage der Messungen. Das Team steigerte deutlich die Leistungsfähigkeit eines fortschrittlichen Breitbandverfahrens (dielektrische Hochfrequenz-Breitband-Relaxationsspektroskopie (DRS)), mit dem Informationen über molekulare Dipolmomente und freie Ladungsträger gesammelt werden können. Die Projektmitglieder verwendeten außerdem ein Infrarotverfahren, um die Rotationsmobilität von Wasser-Hydroxylgruppen zu visualisieren. Die divalenten Kationen von Calcium (Ca2+) und Magnesium (Mg2+) sind wichtige Bestandteile biologischer Flüssigkeiten. Durch DRS wurde erstmals ihr Einfluss auf die Anzahl der Wassermoleküle beleuchtet, die von der Gegenwart der Protonen betroffen ist. Die Protonenmobilität zu untersuchen, wenn sie auf einen sehr kleinen Raum begrenzt ist, ist problematisch, da der erzeugt Stromfluss so gering ist, dass er beinahe nicht messbar ist. Die DRS öffnete auch ein Fenster zur unerwarteten Polarisationsantwort von Protonen, die in nanometergroßen Wassertröpfchen gefangen sind. Die Forscher untersuchten die Auswirkungen der Nafionmembranhydratation auf die Rotationsmobilität von Wasser und die Mobilität von Protonen in Natriumionen. Ein tieferes Verständnis ist für alle entscheidenden Vorgänge relevant, darunter der Energietransport in biologischen Systemen und ionische Mechanismen in Brennstoffzellen. Abschließend nutzte das Team die DRS zusammen mit schneller Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich, um die molekulare Dynamik eines verbreiteten hemmenden Neurotransmitters sowie von Harnstoff, einer wichtigen im Urin zu findenden Chemikalie, zu beleuchten. Die Ergebnisse liefern völlig neue Erkenntnisse und befinden sich in verschiedenen Phasen der Veröffentlichung. Das Projekt PERTPROTONDYN lieferte wichtige Einblicke in die Transportmechanismen hydratisierter Protonen in komplexen Umgebungen, die für viele natürliche und industriell relevante Prozesse von höchster Bedeutung sind.
Schlüsselbegriffe
Proton, wässrig, Mobilität in Wasser, Protonenmobilität, nanobegrenzte Formen, dielektrische Relaxationsspektroskopie, Rotationsmobilität
