Simulaciones complejas: nuevos hallazgos sobre el transporte de protones en el agua
Un equipo internacional de investigación simula los movimientos de un protón hidratado con todo el detalle cuántico
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Unas simulaciones complejas —las más complejas de su tipo hasta la fecha— revelan cómo el agua determina el modo en que los protones se desplazan a través de ella. Las simulaciones fueron llevadas a cabo por un equipo internacional de investigación dirigido por científicos del Instituto de Química Física de la Universidad de Heidelberg. Mediante sus modelos, los investigadores de Cambridge (Reino Unido), Bochum, Dijon (Francia) y Heidelberg han podido seguir, con todo detalle cuántico, los movimientos de un protón compartido entre seis moléculas de agua. En esencia, el trabajo aborda cómo se desplaza un protón a través del agua: no como una partícula aislada que va a la deriva, sino «saltando» de una molécula a otra.
Este movimiento de «salto» se conoce desde el siglo XIX. Cuando un ácido se disuelve en agua, el protón liberado —un ion de hidrógeno con carga positiva— no permanece unido a una sola molécula de agua. Es muy móvil y salta constantemente de una molécula a otra. Este denominado mecanismo de Grotthuss, base del transporte de protones en el agua, es responsable, entre otras cosas, de la acidez del agua y desempeña un papel crucial en el almacenamiento de energía en las baterías y en la transmisión de señales en las células vivas. Debido a que estos movimientos ultrarrápidos de los protones son tan complejos, resultan muy difíciles de dilucidar y, a pesar de la intensa investigación, la dinámica fundamental de los protones en el agua sigue siendo objeto de debate.
Tal y como explica el profesor Oriol Vendrell, del Instituto de Química Física de la Universidad de Heidelberg, hasta ahora los protones hidratados se han representado mediante dos estructuras idealizadas: los cationes de Zundel y los cationes de Eigen. Cada una de ellas supone un número diferente de moléculas de agua a las que se une el protón. En una estructura de Zundel, el protón se reparte a partes iguales entre dos moléculas; en una estructura de Eigen, se une a una sola molécula, formando un núcleo de hidronio que, a su vez, está unido a otras tres moléculas de agua. «Sin embargo, estudios recientes que utilizan espectroscopia infrarroja revelan un estado mucho más dinámico que se sitúa entre estos dos extremos», explica el Dr. David Mendive-Tapia, investigador postdoctoral del equipo del profesor Vendrell.
Para la investigación actual, los científicos simularon un complejo de Zundel extendido con seis moléculas de agua. Modificaron continuamente el sistema modelo eliminando moléculas, lo que provocó su transición de una estructura simétrica de Zundel a una estructura asimétrica de Eigen. Mediante estas simulaciones, lograron seguir, con resolución cuántica completa, los movimientos acoplados del protón hidratado junto con las moléculas de agua que lo rodean. Estos movimientos equivalen a 51 vibraciones entrelazadas y, al seguirlas todas a la vez, el equipo de investigación pudo calcular el espectro infrarrojo completo y reproducir las mediciones experimentales en todo el rango.
Según el profesor Dominik Marx, de la Universidad del Ruhr de Bochum, un factor decisivo fue una descripción excepcionalmente precisa de las fuerzas entre los átomos. En lugar de las aproximaciones habituales, los investigadores captaron estas fuerzas mediante una red neuronal artificial, entrenada en Bochum con datos de química cuántica de alto nivel. Este modelo de aprendizaje automático les permitió seguir el movimiento cuántico del protón con una precisión sin precedentes y sin necesidad de ajustar ningún parámetro.
«Nuestras simulaciones muestran que la configuración de las moléculas de agua circundantes es el factor clave que determina cómo se mueven los protones en una solución acuosa. La huella infrarroja del protón hidratado y, en última instancia, su característico salto, viene determinada sobre todo por las asimetrías locales de su entorno», destaca Oriol Vendrell. Según los científicos, los últimos hallazgos de la investigación amplían el conocimiento actual sobre cómo el agua determina la forma en que los protones se mueven a través de ella.
Además de los investigadores de Heidelberg y Bochum, científicos de la Universidad de Cambridge (Reino Unido) y de la Université Bourgogne Europe de Dijon (Francia) desempeñaron un papel clave en la investigación. Tanto la Fundación Alemana para la Investigación como la Royal Society financiaron la investigación. Los resultados se publicaron en la revista «Nature Chemistry».
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