10.09.2021 - Ruhr-Universität Bochum

Cómo migran los protones confinados

Cuando se dispone de menos de dos nanómetros de espacio, se produce un atasco en la red de transporte de protones

Los protones en solución acuosa suelen migrar muy rápidamente, mucho más que otros iones. Sin embargo, esto sólo se aplica cuando se encuentran en un espacio superior a dos nanómetros, como muestra un estudio de la Universidad del Ruhr-Bochum y la Universidad de California Berkeley. En espacios reducidos ya no funciona el llamado mecanismo de Grotthuss, en el que los protones se difunden más rápido que los iones. Los resultados descritos por el equipo del clúster de excelencia Ruhr Explores Solvation de Bochum, RESOLV para abreviar, junto con sus colegas de la red de investigación hermana CALSOLV de Berkeley, se publicaron en la revista Angewandte Chemie el 3 de septiembre de 2021. Los revisores calificaron los resultados como Highlight Paper (Top 10%).

Los protones (H+) y los iones de hidronio (H3O+) en soluciones acuosas libres parecen migrar más rápido que otros iones debido al mecanismo de Grotthuss. En realidad, los protones individuales no migran en absoluto. En su lugar, los enlaces de los iones de hidronio se rompen y se forman nuevos enlaces con otras moléculas de agua, por lo que el protón individual no migra. Más bien, las cargas se transportan directamente de una molécula de agua a la siguiente. Este proceso es más rápido que la difusión de un ion a través de la solución.

Comportamiento en espacios confinados sin explorar

Hasta ahora, muchos estudios han investigado el transporte de protones en una solución acuosa libre. "En la vida real, estas condiciones son relativamente raras", afirma la profesora Martina Havenith, ponente de RESOLV y autora del estudio. "La mayoría de los procesos de transporte de protones se producen en realidad en espacios confinados o en nanoporos". Los iones de hidronio participan en la definición del valor del pH. Hasta ahora, el efecto del confinamiento no se había entendido del todo.

Para cambiar esto, los investigadores de Bochum y Berkeley combinaron métodos teóricos y experimentales. Crearon pequeñas piscinas de agua, cuyo tamaño podía controlarse con precisión. En cuanto el diámetro de las gotas era inferior a dos nanómetros, el mecanismo de transporte de protones en el experimento y las simulaciones cambiaba bruscamente. "Por debajo de dos nanómetros, la migración de protones está restringida por efectos de confinamiento. Este efecto se reduce cuando la piscina de agua se amplía", explica Martina Havenith. "Sorprendentemente, descubrimos que por encima de los dos nanómetros, donde es posible la formación de iones de hidronio, se produce un atasco de protones". El protón está atascado en un estado oscilante, en el que rebota de un lado a otro a lo largo de la superficie de la piscina de agua, pero no avanza, lo que hace que la conductividad no siga aumentando, como se esperaba en un principio.

Cortocircuito en la red de enlaces de hidrógeno

Además del tamaño de las piscinas, la concentración de ácido también influye en el comportamiento de la migración de protones. Cuando el equipo de investigación aumentó el contenido de ácido, creó una especie de cortocircuito en la red de enlaces de hidrógeno de la gota, de modo que el protón ya no migraba desde su posición, sino que se detenía en un estado de rebote oscilante. "Eso tiene consecuencias para todos los sistemas que dependen del transporte de protones, porque el tamaño del sistema o la concentración de protones pueden provocar un atasco y, por ejemplo, interrumpir el proceso de señalización", concluye Havenith.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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