La question de la précision avec laquelle les protons se déplacent dans l’eau dans un champ électrique fascine les scientifiques depuis des siècles. Maintenant, plus de 200 ans après le dernier aperçu majeur du phénomène, les scientifiques ont une certaine clarté.
En 1806, Theodor Grotthuss a avancé une hypothèse, connue sous le nom de Mécanisme de Grotthuss pour ‘proton jumping’, sur la façon dont une charge peut traverser une solution d’eau.
Alors que l’hypothèse de Grotthuss était très avant-gardiste pour son époque – avant protonsou même la structure réelle de l’eau, étaient même connues – les chercheurs modernes savent depuis longtemps qu’elles ne fournissaient pas une compréhension complète de ce qui se passait au niveau moléculaire.
Les dernières découvertes sur le sujet ont peut-être percé le mystère en résolvant les structures électroniques des protons hydratés qui sont restées si longtemps insaisissables.
Les résultats suggèrent que les protons se déplacent dans l’eau en «trains» de trois molécules d’eau, avec des «voies» construites devant le train au fur et à mesure qu’il avance et tirées une fois qu’il est passé.
Cette boucle peut continuer indéfiniment pour transporter des protons dans l’eau. Bien que l’idée ait été suggérée auparavant, la nouvelle étude attribue une structure moléculaire différente qui s’intègre mieux dans la solution proposée par Grotthuss, selon les auteurs de l’étude.
“Les débats sur le mécanisme de Grotthuss et la nature de la solvatation des protons dans l’eau se sont enflammés, car il s’agit de l’un des défis les plus fondamentaux de la chimie”, dit le chimiste Ehud Pines de l’Université Ben Gourion du Néguev en Israël.
La nouvelle étude est convaincante car elle combine une approche théorique avec une expérimentation physique rendue possible par les avancées technologiques récentes. Les chercheurs ont utilisé un Spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) pour surveiller comment les charges de protons affectent les électrons dans les atomes d’oxygène de l’eau.
Comme prévu, l’impact a été le plus important sur trois molécules d’eau, bien qu’à des degrés différents sur chaque molécule individuelle au sein du cluster trimérique. Les chercheurs ont trouvé les groupes de trois molécules formant des chaînes avec le proton.
Les chercheurs ont également intégré des simulations chimiques et des calculs au niveau quantique pour déterminer les interactions entre les protons et les molécules d’eau voisines lorsque les protons se déplacent dans le liquide.
“Comprendre ce mécanisme relève de la science pure, repoussant les limites de nos connaissances et modifiant l’une de nos compréhensions fondamentales de l’un des mécanismes de transport de masse et de charge les plus importants de la nature”, dit Pins.
La découverte joue dans de nombreux autres procédés chimiquesy compris la photosynthèse, la respiration cellulaire et le transport d’énergie dans les piles à hydrogène.
Ce n’est pas seulement la solution qui est remarquable, mais aussi la façon dont les chercheurs ont pu y parvenir – tester et valider les prédictions théoriques par rapport aux résultats expérimentaux, et vice versa, dans un processus long et sinueux qui a duré près de deux décennies du début à la fin.
“Tout le monde a pensé à ce problème pendant plus de 200 ans, donc c’était un défi suffisant pour que je décide de le relever”, dit Pins. “Dix-sept ans plus tard, je suis très heureux d’avoir trouvé et démontré la solution.”
La recherche a été publiée dans Édition internationale de chimie appliquée.
