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Ein uraltes Rätsel der physikalischen Chemie ist endlich gelöst

Der israelische Wissenschaftler Prof. Ehud Pines konnte mit Unterstützung durch ein EU-finanziertes Forschungsteam seine Theorie über die Protonenbewegung in Wasser belegen.

Grundlagenforschung

Wie bewegt sich ein Proton durch Wasser? Die Theorie, die der Chemiker Theodor Grotthuss vor über 200 Jahren aufstellte, mag für andere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zufriedenstellend gewesen sein. Doch Prof. Ehud Pines von der Ben-Gurion-Universität des Negev (BGU), Israel, gehörte nicht dazu. Nach 17 Jahren Forschung hat er nun durch eine andere Forschungsgruppe Bestätigung erfahren, die mit Unterstützung der EU-finanzierten Projekte XRayProton und SMART-X sein ursprüngliches Experiment replizierte und dabei die Lösung hervorbrachte, die er von Beginn an postuliert hatte. Die Studie, die von Prof. Pines mitverfasst wurde, wurde in der internationalen Ausgabe von „Angewandte Chemie“ veröffentlicht.

Gleisbau für Wassermoleküle

Laut einer Pressemitteilung auf der Website der BGU hatte Prof. Pines zuvor vermutet, dass sich das Proton in Ketten, oder „Zügen“, von drei Wassermolekülen durch Wasser bewegt: „Der Protonenzug ‚legt die Gleise‘ für ihre Bewegung aus, demontiert sie dann und baut sie erneut vor sich auf, um voranzukommen. Es ist eine Schleife von verschwindenden und wieder auftauchenden Gleisen, die sich endlos fortsetzt.“ Ähnliche Theorien wurden zwar auch von anderen Seiten in der Vergangenheit aufgestellt, doch wie es in der Pressemitteilung heißt, waren die Wassermoleküle dabei „nicht der korrekten Molekularstruktur des hydratisierten Protons zugeordnet, das durch seine einzigartigen trimerischen Struktureigenschaften den Grotthuss-Mechanismus fördert“. Prof. Pines erklärt: „Die Diskussion über den Grotthuss-Mechanismus und die Natur der Protonensolvatation in Wasserwurde immer hitziger geführt, denn es handelt sich um eine der wesentlichsten Herausforderungen der Chemie. Diesen Mechanismus zu verstehen, ist reine Wissenschaft, die die Grenzen unseres Wissens verschiebt und ein ganz grundlegendes Verständnis von einem der wichtigsten Mechanismen des Massen- und Ladungstransports in der Natur verändert.“ Um den Widerstand der weltweiten Wissenschaftsgemeinde gegen die Lösung, dass ein hydratisiertes Proton von einer Kette aus drei Wassermolekülen umgeben ist, abzufedern, tat sich Prof. Pines mit einem Team von Forschenden aus Deutschland und Schweden zusammen. Unter der Leitung von Hauptstudienautor Dr. Erik Nibbering vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie replizierte das Team sein Experiment. Mithilfe einer Spezialausrüstung, die vom Europäischen Forschungsrat finanziert wurde, untersuchten sie das chemische System mit Röntgenstrahlen. Dabei wurden die Ergebnisse von Prof. Pines bestätigt: Die Präsenz des Protons wirkt sich am stärksten auf die drei Wassermoleküle aus – jeweils in unterschiedlichem Maße. Zusammen mit dem Proton bilden diese Moleküle protonierte Züge aus drei Wassermolekülen. „Dieses Problem hat 200 Jahre lang alle beschäftigt und das war für mich Herausforderung genug, um mich ihm anzunehmen. Siebzehn Jahre später bin ich erfreut, dass ich höchstwahrscheinlich die Lösung gefunden und demonstriert habe“, so Prof. Pines in der Pressemitteilung. Die Studie, die teilweise von XRayProton (Ultrafast Structural Dynamics of Elementary Water-Mediated Proton Transport Processes) und SMART-X (Study of carrier transport in MAterials by time-Resolved specTroscopy with ultrashort soft X-ray light) unterstützt wurde, demonstriert einen neuen Ansatz. Dieser konzentriert sich auf einen graduellen Übergang von Orbitalinteraktionen des hydratisierten Protons mit den räumlich nächsten Wassermolekülen zu Veränderungen der Orbitalenergie, die in weiter entfernten Wassermolekülen ausgelöst werden. In der Studie heißt es, dass diese Ergebnisse „bei stationären Untersuchungen von hydratisierten Protonen und zeitaufgelösten Studien zu den Grundmechanismen des Protonentransports in Wasser von großem Nutzen sein werden“. Weitere Informationen: SMART-X-Projektwebsite XRayProton-Projekt

Schlüsselbegriffe

XRayProton, SMART-X, Proton, hydratisiertes Proton, Wassermolekül, Grotthuss

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12 April 2021