La forma en que el agua solva y transporta protones es una cuestión fundamental a la que se enfrentan tanto los químicos como los biólogos y es vital para nuestra comprensión de procesos como la fotosíntesis y la respiración celular.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Chicago utilizó espectroscopía infrarroja bidimensional de banda ancha para revelar el comportamiento de los protones cuando ácidos como el HCl se disocian en el agua. Aunque los libros de texto de química general suelen enseñar que el protón se asocia con el agua como un ion hidronio H ₃ O +, descubrieron que el protón está fuertemente unido entre dos moléculas de agua y que las estructuras son predominantemente asimétricas.

"Estamos construyendo predicciones hechas a través de modelos computacionales, incluyendo el trabajo de Greg Voth, profesor de química en la Universidad de Chicago, que es líder en el desarrollo de modelos computacionales para la transferencia de protones en agua pura y sistemas biológicos, "dijo Joseph Fournier, profesor asistente de química en la Universidad de Washington en St. Louis y ex becario postdoctoral Arnold O. Beckman en la Universidad de Chicago. "Sin embargo, los desafíos experimentales y técnicos enfrentados al estudiar el protón en el agua han dejado estos modelos sin verificar. Creemos que este estudio ofrece la visión experimental más completa de la complicada naturaleza de cómo el agua interactúa con los protones ".

El estudio fue posible gracias a los avances en el campo de la espectroscopia IR 2-D desarrollados en el grupo de Andrei Tokmakoff, profesor de química en la Universidad de Chicago y coautor del artículo. 2-D IR utiliza pulsos cortos de láser infrarrojo para capturar instantáneas de las estructuras de las moléculas antes de que puedan moverse. Una vez que pueda capturar una instantánea, Los investigadores encontraron que había muchas variaciones estructurales posibles cuando un protón se compartía entre dos moléculas de agua, y que estas estructuras persisten más de lo que se pensaba.

"Por ejemplo, el protón podría estar en el medio o un poco sesgado. O las dos moléculas de agua podrían estar a distancias variables entre sí, dijo Fournier.

Estos datos ahora se utilizarán para mejorar los modelos computacionales, lo que ayudará a los investigadores a determinar cuantitativamente la naturaleza de estas distribuciones estructurales y comprender por qué estas estructuras persisten más de lo que se pensaba anteriormente. Adicionalmente, El coautor e investigador estudiante de posgrado William Carpenter tiene la intención de estudiar cómo evolucionan las estructuras en el tiempo a medida que el protón se mueve de una molécula de agua a la siguiente.

Fournier también planea aplicar la investigación del transporte de protones en procesos catalíticos.

"Muchos químicos están tratando de desarrollar catalizadores que imiten lo que hacen las plantas:dividir el agua para obtener nuevas fuentes de energía limpia, ", dijo." Los procesos catalíticos como la división del agua se basan en múltiples eventos de transferencia de protones. Comprender cómo funciona esto a nivel molecular podría ayudarnos a utilizar el agua como combustible ".