El escurridizo continuo de absorción infrarroja de protones en el medio acuoso ha sido tema de intenso debate controvertido desde hace medio siglo. Un equipo de científicos del Instituto Max Born y la Universidad Ben Gurion del Negev, Israel, muestran el caso delCatión Zundel H₂O ... H⁺ ... OH₂ H₅O₂⁺ que el líquido circundante induce fuerzas eléctricas fluctuantes sobre el protón, modulando sus movimientos vibratorios entre las dos moléculas de agua. Este mecanismo, junto con los movimientos térmicos de baja frecuencia, da como resultadoen la ampliación extrema del espectro infrarrojo.
El protón H + , el núcleo cargado positivamente de un átomo de hidrógeno, juega un papel fundamental para muchos procesos en la naturaleza.En el agua líquida, el transporte de carga eléctrica está dominado por el movimiento de protones en exceso, mientras que los movimientos de protones a través de las membranas celulares son el corazón de la respiración celular.A pesar de esta relevancia, la naturaleza molecular y la dinámica del exceso de protones que interactúan con las moléculas de agua en su entorno no se comprenden completamente.La espectroscopía vibratoria, en particular infrarroja, ha ayudado a identificar estructuras moleculares limitantes de protones hidratados, como los cationes Eigen y Zundel, donde este último muestra una absorción infrarroja no estructurada extremadamente amplia, un llamado "continuo de Zundel".En agua líquida, tales estructuras son inestables y se espera que sufran cambios rápidos en una escala de tiempo de femto a picosegundos 1 picosegundo = 1 ps = 10 -12 s.Los mecanismos subyacentes a la absorción continua han seguido siendo muy controvertidos.
Investigadores del Instituto Max Born de Óptica No Lineal y Espectroscopía de Pulso Corto en Berlín y la Universidad Ben Gurion del Negev en Beer-Sheva, Israel ahora han aplicado la espectroscopía infrarroja no lineal con resolución de femtosegundos para dilucidar la naturaleza del continuo de banda ancha.Para el caso particular del modelo H 5 O 2 + , el catión Zundel que consta de dos moléculas de agua unidas por un protón H 2 O ... H + ... OH 2 , disecan dinámicamente el continuo Zundel de las vibraciones regulares de estiramiento y flexión de OH de las dos moléculas de agua.Como informan Angewandte Chemie Int. Ed ., Una elección juiciosa de la excitación vibratoria de femtosegundos permite aislar la absorción continua transitoria. Las diferentes excitaciones muestran vidas inferiores a 60 fs, mucho más cortas que las vibraciones de estiramiento y flexión de OH del agua pura.
Un análisis teórico de los resultados demuestra que la ampliación extrema de la absorción infrarroja es causada por los movimientos del protón interno ejercido por los campos eléctricos fuertes y rápidamente fluctuantes que se originan de las moléculas de solvente polar circundantes. La energía de los movimientos de protones a lo largo delllamada coordenada de transferencia de protones, la dirección que conecta las dos moléculas de agua en H 2 O ... H + ... OH 2 , está fuertemente modulado por estos campos externos, lo que resulta en una modulación concomitante de las energías de transición vibracionales.En una escala de tiempo más rápida que 100 fs, el sistema explora una amplia gama de energías de transición.Junto con los armónicos vibratorios, los tonos y modos combinados que cambian la distancia entre las dos moléculas de agua, las transiciones moduladas en el campo conducen a la ampliación extrema observada de la absorción infrarroja.Debido a las fluctuaciones estructurales extremadamente rápidas, en particular H + los arreglos se eliminan muy rápidamente, es decir, el sistema tiene una memoria estructural extremadamente corta.
Esta nueva visión en el catión Zundel claramente va más allá de los muchos estudios del trabajo de agrupación de fase gaseosa en protones hidratados, donde debido a las condiciones de baja temperatura, no se observa el continuo de Zundel. Los resultados son relevantes para muchos aspectos dinámicos de la hidrataciónprotones, ya sea para el transporte de protones en el agua por el infame mecanismo de von Grotthuss, en celdas de combustible de hidrógeno o sistemas biológicos que funcionan con mecanismos de translocación de protones.
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Materiales proporcionado por Forschungsverbund Berlin eV FVB . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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