Comportamenti protonici in ambienti acquosi
Un protone è uno ione con carica positiva, un atomo di idrogeno che ha perso il suo unico elettrone. Rispetto agli altri ioni, i protoni sono caratterizzati da una mobilità in acqua elevata in maniera anomala che si spiega con le interazioni con la rete dell’acqua stessa. I meccanismi di trasporto in massa dell’acqua sono stati studiati nei minimi dettagli. Tuttavia, nella maggior parte dei processi i protoni coesistono con gli altri soluti e attraversano geometrie interessanti come i canali ionici e architetture di altro tipo. Gli scienziati ormai hanno aggiunto un patrimonio di conoscenze ai processi meno conosciuti in questi ambienti complessi e fortemente perturbati. Il sostegno dell’UE al progetto PERTPROTONDYN (“Aqueous proton mobility near ions and in nano-confined geometries”) ha fornito loro l’occasione che cercavano. Le potenti tecniche spettroscopiche non lineari hanno costituito la base della misurazione. Il team ha significativamente migliorato le capacità di una tecnologia a banda larga avanzate (spettroscopia dielettrica a banda larga ad alta frequenza (DRS)) che fornisce informazioni sui momenti dipolari molecolari e i portatori di carica liberi. Hanno inoltre usato una tecnologia a infrarossi (IR) per visualizzare la mobilità rotazionale dei gruppi ossidrilici (OH-) dell’acqua. Il cationi bivalenti del calcio (Ca2+) e magnesio (Mg2+) sono importanti componenti dei fluidi biologici. La DRS ha rivelato per la prima volta il loro impatto sul numero di molecole di acqua interessate dalla presenza di protoni. Lo studio della mobilità dei protoni confinata in spazi molto angusti è difficile perché la corrente generata è così di bassa intensità che è quasi impossibile da misurare. La DRS ha inoltre fornito una finestra sulla risposta di polarizzazione inaspettata dei protoni legati in gocce d’acqua di dimensioni nanometriche. I ricercatori hanno studiato gli effetti dell’idratazione della membrana di Nafion sulla mobilità rotazionale dell’acqua e la mobilità dei protoni e degli ioni di sodio. La maggiore comprensione è relativa ai processi cruciali, compreso il trasporto di energia nei sistemi biologici e i meccanismi ionici delle celle a combustibile. Infine, il team ha utilizzato la DRS con la spettroscopia del medio infrarosso veloce per chiarire le dinamiche molecolari di un neurotrasmettitore inibitorio comune e dell’urea, una sostanza chimica importante che può essere trovata nelle urine. I nuovi risultati sono in varie fasi di pubblicazione. PERTPROTONDYN ha fornito indicazioni significative sui meccanismi di trasporto dei protoni idratati in ambienti complessi così importanti per molti processi naturali e industriali.
Parole chiave
Protone, acquoso, mobilità in acqua, mobilità dei protoni, geometrie nano-confinate, spettroscopia dielettrica, mobilità rotazionale
