Como a água solvata e transporta prótons é uma questão fundamental enfrentada por químicos e biólogos e é vital para a nossa compreensão de processos como a fotossíntese e a respiração celular.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Chicago usou a espectroscopia de infravermelho 2-D de banda larga para revelar o comportamento do próton quando ácidos como o HCl se dissociam na água. Embora os livros de química geral ensinem que o próton se associa à água como um íon hidrônio H ₃ O +, eles descobriram que o próton está fortemente ligado entre duas moléculas de água e que as estruturas são predominantemente assimétricas.

"Estamos construindo previsões feitas por meio de modelagem computacional, incluindo o trabalho de Greg Voth, professor de química da Universidade de Chicago, que é líder no desenvolvimento de modelos computacionais para transferência de prótons em água pura e sistemas biológicos, "disse Joseph Fournier, professor assistente de química na Universidade de Washington em St. Louis e ex-bolsista de pós-doutorado de Arnold O. Beckman na Universidade de Chicago. "Contudo, os desafios experimentais e técnicos enfrentados no estudo do próton na água deixaram esses modelos sem verificação. Achamos que este estudo oferece a visão experimental mais abrangente sobre a natureza complicada de como a água interage com os prótons. "

O estudo foi possível graças aos avanços no campo da espectroscopia IR 2-D desenvolvida no grupo de Andrei Tokmakoff, professor de química da Universidade de Chicago e co-autor do artigo. 2-D IR usa pulsos de laser infravermelho curtos para capturar instantâneos das estruturas das moléculas antes que elas possam se mover. Uma vez capaz de capturar um instantâneo, pesquisadores descobriram que havia muitas variações estruturais possíveis quando um próton era compartilhado entre duas moléculas de água, e que essas estruturas persistem por mais tempo do que se pensava.

"Por exemplo, o próton pode estar no meio ou um pouco inclinado. Ou as duas moléculas de água podem estar a distâncias variáveis ​​uma da outra, "disse Fournier.

Esses dados agora serão usados ​​para melhorar os modelos computacionais, que ajudará os pesquisadores a determinar quantitativamente a natureza dessas distribuições estruturais e entender por que essas estruturas persistem por mais tempo do que se pensava. Adicionalmente, o co-autor e pesquisador estudante de graduação William Carpenter pretende estudar como as estruturas evoluem no tempo à medida que o próton se move de uma molécula de água para a outra.

Fournier também planeja aplicar a pesquisa de transporte de prótons em processos catalíticos.

"Muitos químicos estão tentando desenvolver catalisadores que imitem o que as plantas fazem - dividindo a água em novas fontes de energia limpa, ", disse ele." Processos catalíticos como a divisão da água dependem de vários eventos de transferência de prótons. Entender como isso funciona no nível molecular pode nos ajudar a usar a água como combustível. "