Zachowania protonów w środowiskach wodnych
Proton jest jonem z ładunkiem dodatnim, czyli atomem wodoru, który utracił swój jedyny elektron. W porównaniu z innymi jonami protony wykazują nietypowo dużą ruchliwość w wodzie, co można wyjaśnić interakcjami, jakie zachodzą w samej sieci wodnej. Mechanizmy transportu w dużych ilościach wody zostały już szczegółowo zbadane. Jednak w większości procesów protony współistnieją z innymi substancjami rozpuszczonymi i przecinają interesujące geometrie, takie jak kanały jonowe i inne architektury. Naukowcom udało się zdobyć wiele nowych informacji na temat słabo zrozumianych procesów zachodzących w takich złożonych, mocno zaburzonych środowiskach. Było to możliwe dzięki finansowanemu ze środków UE projektowi "Aqueous proton mobility near ions and in nano-confined geometrie" (PERTPROTONDYN). Podstawą pomiarów były wydajne techniki spektroskopii nieliniowej. Zespół znacznie ulepszył zaawansowaną technikę szerokopasmową DRS (dielektrycznej spektroskopii relaksacyjnej w szerokim paśmie wysokich częstotliwości), która zapewnia ważne dane dotyczące momentów dipolowych molekuł i wolnych nośników ładunków. Za pomocą podczerwieni udało się również zwizualizować ruchliwość obrotową grup hydroksylowych (-OH) w wodzie. Ważnymi składnikami płynów biologicznych są dwuwartościowe kationy wapnia (Ca2+) i magnezu (Mg2+). Technika DRS po raz pierwszy pozwoliła poznać ich wpływ na liczbę cząsteczek wody, na które oddziałują protony. Badanie ruchliwości protonów w bardzo małych przestrzeniach jest trudne, ponieważ generowany prąd jest tak mały, że jego zmierzenie jest prawie niemożliwe. Metoda DRS umożliwia również zbadanie nieoczekiwanej odpowiedzi polaryzacyjnej protonów w kroplach wody o średnicy 1 nm. Naukowcy przeanalizowali wpływ nawodnienia membrany nafionowej na ruchliwość obrotową wody oraz ruchliwość protonów i jonów sodu. Lepsze zrozumienie tych zjawisk ma znaczenie w przypadku bardzo ważnych procesów, takich jak transport energii w układach biologicznych oraz mechanizmy jonowe zachodzące w ogniwach paliwowych. Na koniec zespół połączył technikę DRS z szybką spektroskopią w średnim zakresie podczerwieni, aby wyjaśnić dynamikę molekularną typowego neuroprzekaźnika hamującego i mocznika, czyli ważnego związku chemicznego występującego w moczu. Nowe wyniki znajdują się na różnych etapach publikacji. Projekt PERTPROTONDYN przyniósł ważne informacje na temat mechanizmów transportu protonów uwodnionych w złożonych środowiskach, co ma kluczowe znaczenie w wielu naturalnych i przemysłowych procesach.
Słowa kluczowe
Protony, środowisko wodne, ruchliwość w wodzie, mobilność protonów, geometrie w skali nano, dielektryczna spektroskopia relaksacyjna, ruchliwość obrotowa
