El protón, el núcleo H + cargado positivamente de un átomo de hidrógeno y la especie química más pequeña, es un jugador clave en química y biología. Los ácidos liberan protones en un entorno de agua líquida donde son altamente móviles y dominan el transporte de carga eléctrica.biología, el gradiente de concentración de protones a través de las membranas celulares es el mecanismo que impulsa la respiración y el almacenamiento de energía de las células. Sin embargo, incluso después de décadas de investigación, las geometrías moleculares en las que los protones se alojan en el agua y los pasos elementales de la dinámica de los protones se han mantenido.altamente controversial.
Los protones en el agua se describen comúnmente con la ayuda de dos estructuras limitantes. En el complejo Eigen H9O4 + izquierda, el protón es parte del ion central H3O + rodeado por tres moléculas de agua. En el catión Zundel H5O2 + derecha, el protón forma fuertes enlaces de hidrógeno con dos moléculas de agua que lo flanquean. Una descripción a nivel molecular emplea la superficie de energía potencial del protón que es marcadamente diferente para las dos geometrías limitantes. Uno espera un potencial mínimo mínimo anarmónico para el Eigenespecies y un potencial mínimo doble para las especies de Zundel. En el agua líquida, tales potenciales son de naturaleza muy dinámica y experimentan fluctuaciones muy rápidas debido a los movimientos térmicos de las moléculas de agua circundantes y el protón.
Investigadores del Instituto Max Born en Berlín, Alemania, y la Universidad Ben Gurion del Negev en Beer-Sheva, Israel, ahora han dilucidado los movimientos ultrarrápidos y las características estructurales de los protones en el agua en condiciones ambientales. Informan sobre condiciones experimentales y teóricas.resultados en ciencia que identifica el catión Zundel como una especie predominante en agua líquida. La dinámica de femtosegundos 1 fs = 10-15 s de los movimientos de protones se mapeó mediante transiciones vibratorias entre estados cuánticos de protones. El sofisticado método de espectroscopía vibracional bidimensional proporcionalos contornos amarillo-rojo y azul que marcan el rango de energía cubierto por las dos transiciones. El contorno azul se produce a frecuencias de detección más altas que el rojo, dando la primera evidencia directa del carácter doble mínimo del potencial protónico en el ambiente acuoso nativo.En contraste, se espera que el contorno azul aparezca a frecuencias de detección más pequeñas que el rojo.
La orientación de los dos contornos paralelos al eje de frecuencia vertical demuestra que las dos transiciones vibratorias exploran un rango de frecuencia enorme dentro de menos de 100 fs, un sello distintivo de las modulaciones ultrarrápidas de la forma del potencial protónico. En otras palabras, el protón exploratodas las ubicaciones entre las dos moléculas de agua en menos de 100 fs y pierden rápidamente la memoria de donde habían estado antes. La modulación del potencial de protones es causada por el fuerte campo eléctrico impuesto por las moléculas de agua en el medio ambiente.el movimiento produce fuertes fluctuaciones de campo y, por lo tanto, modulaciones de energía potencial en una escala de tiempo inferior a 100 fs. Esta imagen está respaldada por experimentos de referencia con cationes Zundel preparados selectivamente en otro disolvente y por simulaciones teóricas detalladas de la dinámica de protones.
Un catión Zundel específico en el agua se transforma en nuevas geometrías de acomodación de protones por la ruptura y reforma de los enlaces de hidrógeno. Dichos procesos son mucho más lentos que el movimiento de protones de oscilación y ocurren en una escala de tiempo de unos pocos picosegundos. Esta nueva imagen de la dinámica de los protoneses muy relevante para el transporte de protones mediante el infame mecanismo de von Grotthuss y para los mecanismos de translocación de protones en sistemas biológicos.
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Materiales proporcionados por Forschungsverbund Berlin . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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