04.10.2022 - Ben-Gurion University of the Negev

Wissenschaftler löst nach 17 Jahren Forschung einen der heiligen Grale der physikalischen Chemie

Es stellt sich heraus, dass der Grotthuss-Mechanismus nicht ein, zwei oder vier Moleküle umfasst, wie es in der modernen Forschung seit mehr als 100 Jahren angenommen wurde, sondern eine einzigartige Anordnung von drei Wassermolekülen

Prof. Ehud Pines ist ein Ikonoklast. Wie sonst könnte man einen Wissenschaftler nennen, der 17 Jahre lang hartnäckig nach der Lösung eines über 200 Jahre alten Chemieproblems suchte, das seiner Meinung nach nie zufriedenstellend gelöst wurde, und dabei Methoden einsetzte, von denen kein anderer Wissenschaftler glaubte, dass sie zur Wahrheit führen könnten? Jetzt hat er Recht bekommen, denn die Zeitschrift Angewandte Chemie hat einen Artikel veröffentlicht, in dem beschrieben wird, wie sein Experiment von einer anderen Forschergruppe nachgestellt wurde, während es geröntgt wurde, um die Lösung zu finden, für die Prof. Pines die ganze Zeit plädiert hat.

Die Frage, um die es geht, lautet: Wie bewegt sich ein Proton durch Wasser? Im Jahr 1806 stellte Theodor Grotthuss seine Theorie vor, die als Grotthuss-Mechanismus bekannt wurde. Im Laufe der Jahre versuchten viele andere, eine aktualisierte Lösung zu finden, wobei sie erkannten, dass Grotthuss streng genommen falsch lag, aber es blieb die Standardantwort im Lehrbuch. Bis jetzt.

Prof. Ehud Pines schlug auf der Grundlage seiner experimentellen Studien an der Ben-Gurion-Universität des Negev zusammen mit seiner Doktorandin Eve Kozari und theoretischen Studien von Prof. Benjamin Fingerhut über die Struktur von Prof. Pines' protonierten Wasserclustern vor, dass sich das Proton in Zügen von drei Wassermolekülen durch das Wasser bewegt. Die Protonenzüge "bauen die Gleise" unter sich für ihre Bewegung auf und demontieren dann die Gleise und bauen sie vor sich wieder auf, um weiterzukommen. Es ist eine Schleife aus verschwindenden und wieder auftauchenden Gleisen, die sich endlos fortsetzt. Ähnliche Ideen wurden in der Vergangenheit von einer Reihe von Wissenschaftlern vorgebracht, wurden aber laut Prof. Pines nicht der korrekten Molekularstruktur des hydratisierten Protons zugeordnet, das durch seine einzigartigen trimeren Struktureigenschaften den Grotthuss-Mechanismus fördert.

"Die Debatten über den Grotthuss-Mechanismus und die Natur der Protonensolvatation in Wasser sind hitzig geworden", sagt Prof. Pines, "denn dies ist eine der grundlegendsten Herausforderungen der Chemie. Diesen Mechanismus zu verstehen ist reine Wissenschaft, die die Grenzen unseres Wissens erweitert und eines unserer grundlegenden Verständnisse eines der wichtigsten Massen- und Ladungstransportmechanismen der Natur verändert."

Während in den letzten Jahren weitere theoretische Studien die Erkenntnisse von Prof. Pines über das hydratisierte Proton, das von einer Kette aus drei Wassermolekülen aufgenommen wird, bestätigten, zögerte der Großteil der weltweiten wissenschaftlichen Gemeinschaft, die auf diesem Gebiet tätig ist, weiterhin, das von Prof. Pines entwickelte Modell für die Protonenlösung und -bewegung in Wasser zu akzeptieren. Daher wandte sich Prof. Pines an seine langjährigen Mitarbeiter am Max-Born-Institut in Deutschland. Sie stellten ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Erik Nibbering zusammen und wiederholten das Experiment, wobei sie diesmal das chemische System mit Röntgenstrahlen durchleuchteten. Das Röntgenexperiment - für das eine speziell entwickelte und vom Europäischen Forschungsrat finanzierte millionenschwere Ausrüstung erforderlich war - bestätigte die Ergebnisse von Prof. Pines. Mit dem Röntgenabsorptionsexperiment (XAS) wurde die Wirkung der Protonenladung auf die Struktur der inneren Elektronen der einzelnen Sauerstoffatome des Wassers gemessen. Wie von Prof. Pines vorhergesagt, wurde festgestellt, dass drei Wassermoleküle am stärksten von der Anwesenheit des Protons betroffen sind, jedes in unterschiedlichem Maße, und zusammen mit dem Proton protonierte 3-Wasser-Molekülketten oder "Züge" bilden.

"Über 200 Jahre lang haben alle über dieses Problem nachgedacht, und das war für mich eine ausreichende Herausforderung, um mich damit zu befassen. Siebzehn Jahre später freue ich mich, dass ich höchstwahrscheinlich die Lösung gefunden und demonstriert habe", sagt Prof. Pines.

In der nächsten Ausgabe der Chemiebücher der Hochschulen wird die Beschreibung des Grotthuss-Mechanismus vielleicht durch den "Pines-Mechanismus" ersetzt, eine Idee, die Prof. Pines zwar reizt, aber nur eine Kuriosität ist, verglichen mit der Offenbarung, diesen grundlegenden Mechanismus eines der häufigsten und grundlegenden Prozesse in der Natur zu verstehen.

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