Iaraelischer Wissenschaftler löst nach 17 Jahren Forschung Grotthuss-Mechanismus
Prof. Ehud Pines von der Ben-Gurion-Universität des Negev ist Bilderstürmer, so eine Medienmitteilung vom 29.10.2022. Wie sonst könnte man einen Wissenschaftler nennen, der 17 Jahre lang hartnäckig nach der Lösung eines mehr als 200 Jahre alten Chemieproblems suchte, das seiner Meinung nach nie zufriedenstellend beantwortet wurde, und dabei Methoden anwandte, von denen kein anderer Wissenschaftler glaubte, sie könnten zur Wahrheit führen? Jetzt hat er Recht bekommen, denn 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.
Forschungslabor – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Die Frage, um die es geht, lautet: Wie bewegt sich ein Proton durch Wasser? 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 aus dem Lehrbuch. Bis jetzt.
Prof. Ehud Pines schlug auf der Grundlage seiner experimentellen Studien an der Ben-Gurion-Universität des Negev im Fachbereich Chemie zusammen mit seiner Doktorandin Eve Kozari und theoretischen Studien von Prof. Benjamin Fingerhut über die Struktur der protonierten Wassercluster vor, dass sich das Proton in Zügen von drei Wassermolekülen durch das Wasser bewegt. Der Protonenzug „baut die Gleise“ unter sich für seine Bewegung auf und baut dann die Gleise wieder ab und baut sie vor sich wieder auf, um weiterzufahren. 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 molekularen Struktur des hydratisierten Protons zugeordnet, die durch ihre einzigartigen trimeren Struktureigenschaften zur Förderung des Grotthuss-Mechanismus führt.
„Die Debatten über den Grotthuss-Mechanismus und die Natur der Protonensolvatation in Wasser sind hitzig geworden“, sagt Pines, „denn der ist eine der grundlegendsten Herausforderungen in 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 vergangenen Jahren weitere theoretische Studien die Erkenntnisse von 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 Pines entwickelte Modell für die Protonenlösung und -bewegung in Wasser zu akzeptieren. Daher wandte sich Pines an seine langjährigen Mitarbeiter am Max-Born-Institut in Deutschland. Sie stellten ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Erik Nibbering zusammen und wiederholten das Experiment, indem sie 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 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 Ausmaß, und zusammen mit dem Proton protonierte 3-Wasser-Molekülketten oder „Züge“ bilden.
„Über dieses Problem hat man mehr als 200 Jahre lang nachgedacht, und das war für mich Herausforderung genug, um zu beschließen, es aufzugreifen. Siebzehn Jahre später freue ich mich, dass ich höchstwahrscheinlich die Lösung gefunden und demonstriert habe“, sagt Pines.
In der nächsten Ausgabe der Chemiebücher der Hochschulen wird die Beschreibung des Grotthuss-Mechanismus vielleicht durch den „Pines-Mechanismus“ ersetzt, eine Idee, die Pines kitzelt, die aber nur eine Kuriosität ist, verglichen mit der Offenbarung, diesen grundlegenden Mechanismus eines der häufigsten und grundlegenden Prozesse in der Natur zu verstehen.
Weitere Forscher sind: Maria Ekimova, Carlo Kleine, Jan Ludwig und Erik T. J. Nibbering vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie; Miguel Ochmann und Prof. N. Huse vom Institut für Nanostruktur- und Festkörperphysik, Center for Free-Electron Laser Science; Thomas E. G. Agrenius und Prof. M. Odelius von der Fakultät für Physik der Universität Stockholm; Eve Kozari und Dina Pines von der Fakultät für Chemie der Ben-Gurion-Universität des Negev; Prof. Ph. Wernet von der Fakultät für Physik und Astronomie der Universität Uppsala.
Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Projekt Nr. DFG – NI 492/11-1) und dem Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union (ERC Grant Agreement Nr. 788704; E.T.J.N.), der Carl-Tryggers-Stiftung (Vertrag CTS18:285) und dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union (Marie Sk?odowska-Curie Grant Agreement Nr. 860553) unterstützt.
Die Berechnungen wurden durch Ressourcen ermöglicht, die von der Swedish National Infrastructure for Computing (SNIC) zur Verfügung gestellt wurden, die teilweise vom Schwedischen Forschungsrat durch die Finanzhilfevereinbarung Nr. 2018-05973 finanziert wurde; die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 925 (Projekt A4). Pines wurde von der Israel Science Foundation (Förderungsnummer 1587/16) unterstützt.
->Quellen:
- in.bgu.ac.il/grotthuss_mechanism
- Originalpublikation: Sebastian Eckert, Marc-Oliver Winghart, Carlo Kleine, Ambar Banerjee, Maria Ekimova, Jan Ludwig, Jessica Harich, Mattis Fondell, Rolf Mitzner, Ehud Pines, Nils Huse, Philippe Wernet, Michael Odelius, Erik T. J. Nibbering: From Local Covalent Bonding to Extended Electric Field Interactions in Proton Hydration, in: Angewandte Chemie,14.09.2022, https://doi.org/10.1002/anie.202211066, open access