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Un annoso dilemma di chimica fisica è finalmente risolto

Grazie all’aiuto di un gruppo di ricerca sostenuto dall’UE, uno scienziato israeliano, il prof. Ehud Pines, ha comprovato la sua teoria relativa al movimento dei protoni attraverso l’acqua.

Ricerca di base

Come si sposta nell’acqua un protone? La teoria proposta oltre 200 anni fa dal chimico Theodor Grotthuss può aver soddisfatto altri scienziati, ma non il prof. Ehud Pines dell’Università Ben-Gurion del Negev (BGU), in Israele. Ora, dopo 17 anni di ricerca, ha ottenuto una conferma in collaborazione con un altro gruppo di ricercatori che, con il sostegno dei progetti XRayProton e SMART-X, finanziati dall’UE, ha replicato il suo esperimento, svelando la soluzione che ha sempre proposto. Lo studio, di cui il prof. Pines è co-autore, è stato pubblicato nell’edizione internazionale della rivista «Angewandte Chemie».

Costruire binari per le molecole d’acqua

Come illustrato in un articolo pubblicato sul sito web dell’Università BGU, ciò che il prof. Pines aveva precedentemente suggerito riguardava il movimento del protone attraverso l’acqua in catene o «treni» costituiti da tre molecole dell’acqua: «Il treno dei protoni “costruisce i binari” sotto di loro per permetterne il movimento e, successivamente, smonta i binari e li rimonta davanti a loro affinché possano continuare a muoversi. Si tratta di un ciclo scandito dalla scomparsa e ricomparsa dei binari che prosegue all’infinito.» Sebbene in passato teorie simili siano state avanzate da diversi scienziati, l’articolo riferisce che alle molecole d’acqua «non era stata assegnata la struttura molecolare corretta del protone idratato, che alla luce delle sue proprietà strutturali trimeriche uniche promuove il meccanismo di Grotthuss.» Il prof. Pines spiega: «I dibattiti a proposito del meccanismo di Grotthuss e della natura della solvatazione dei protoni nell’acqua sono diventati sempre più accesi poiché siamo dinanzi a uno dei problemi più essenziali della chimica. La comprensione di tale meccanismo è pura scienza, trascendendo i confini della nostra conoscenza e rivoluzionando le nostre concezioni fondamentali di uno dei più importanti meccanismi di trasporto di massa e carica della natura.» Allo scopo di vincere la riluttanza della comunità scientifica internazionale ad accettare la soluzione di un protone idratato accolto da una catena di tre molecole d’acqua, il prof. Pines ha unito le forze con un gruppo di ricercatori provenienti da Germania e Svezia. Il gruppo, guidato dall’autore senior dello studio, il dott. Erik Nibbering dell’Istituto Max Born di ottica non lineare e spettroscopia a impulsi brevi, in Germania, ha replicato l’esperimento, procedendo ad analizzare con i raggi X il sistema chimico con un’apparecchiatura appositamente progettata, finanziata dal Consiglio europeo della ricerca, che ha confermato i risultati del prof. Pines: la presenza del protone che esercita un forte effetto su tre molecole d’acqua, condizionando ognuna in misura diversa e, insieme al protone, queste molecole formano treni costituiti da tre molecole d’acqua protonate. «Questo problema è rimasto al centro dei pensieri di tutti per oltre 200 anni, quindi per me ciò di per sé rappresentava una sfida difficile da raccogliere. Diciassette anni dopo, sono lieto di avere molto probabilmente scoperto e dimostrato la soluzione», afferma il prof. Pines nell’articolo. Lo studio, sostenuto in parte dai progetti XRayProton (Ultrafast Structural Dynamics of Elementary Water-Mediated Proton Transport Processes) e SMART-X (Study of carrier transport in MAterials by time-Resolved specTroscopy with ultrashort soft X-ray light), avvalora un nuovo approccio incentrato sulla transizione graduale da forti interazioni orbitali del protone idratato con le molecole d’acqua più vicine ai cambiamenti di energia orbitale indotti nelle molecole d’acqua più lontane. Come riferito nello studio tali risultati «si riveleranno molto utili nelle indagini in regime stazionario dei protoni idratati e negli studi a risoluzione temporale dei meccanismi di fondo del trasporto acquoso dei protoni». Per ulteriori informazioni, consultare: sito web del progetto SMART-X progetto XRayProton

Parole chiave

XRayProton, SMART-X, protone, protone idratato, molecola d’acqua, Grotthuss

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11 Ottobre 2022