Simulazioni complesse: nuove scoperte sul trasporto dei protoni nell’acqua
Un gruppo di ricerca internazionale simula i movimenti di un protone idratato con tutti i dettagli quantistici
Annunci
Simulazioni complesse – le più articolate nel loro genere mai realizzate finora – rivelano come l’acqua determini il modo in cui i protoni si muovono al suo interno. Sono state condotte da un gruppo di ricerca internazionale guidato da scienziati dell’Istituto di Chimica Fisica dell’Università di Heidelberg. Grazie ai loro modelli, i ricercatori di Cambridge (Regno Unito), Bochum, Digione (Francia) e Heidelberg sono riusciti a tracciare, con tutti i dettagli quantistici, i movimenti di un protone condiviso da sei molecole d’acqua. In sostanza, il lavoro affronta il modo in cui un protone si muove nell’acqua: non come una singola particella che galleggia alla deriva, ma “saltellando” da una molecola all’altra.
Questo movimento a “salti” è noto fin dal XIX secolo. Quando un acido si dissolve in acqua, il protone rilasciato – uno ione idrogeno con carica positiva – non rimane legato a una singola molecola d’acqua. È altamente mobile e salta costantemente da una molecola all’altra. Questo cosiddetto meccanismo di Grotthuss, alla base del trasporto dei protoni nell’acqua, è responsabile, tra l’altro, dell’acidità dell’acqua e svolge un ruolo cruciale nell’accumulo di energia nelle batterie e nella trasmissione dei segnali nelle cellule viventi. Poiché questi movimenti ultraveloci dei protoni sono così complessi, sono notoriamente difficili da chiarire e, nonostante un’intensa attività di ricerca, le dinamiche fondamentali dei protoni nell’acqua rimangono oggetto di dibattito.
Come spiega il Prof. Dr. Oriol Vendrell dell’Istituto di Chimica Fisica dell’Università di Heidelberg, finora i protoni idrati sono stati rappresentati utilizzando due strutture idealizzate: i cationi di Zundel e i cationi di Eigen. Ciascuna di esse presuppone un numero diverso di molecole d’acqua a cui il protone si lega. In una struttura di Zundel, il protone è condiviso equamente tra due molecole; in una struttura di Eigen, si lega a una singola molecola, formando un nucleo di idronio che a sua volta è legato a tre ulteriori molecole d’acqua. «Tuttavia, recenti studi che utilizzano la spettroscopia infrarossa rivelano uno stato molto più dinamico, che si colloca tra questi due estremi», spiega il dott. David Mendive-Tapia, ricercatore post-dottorato del team del prof. Vendrell.
Per la ricerca attuale, gli scienziati hanno simulato un complesso di Zundel esteso con sei molecole d’acqua. Hanno modificato continuamente il sistema modello rimuovendo molecole, provocandone la transizione da una struttura simmetrica di Zundel a una struttura asimmetrica di Eigen. Grazie a queste simulazioni, sono riusciti a tracciare, con piena risoluzione quantistica, i moti accoppiati del protone idratato insieme alle molecole d’acqua circostanti. Si tratta di 51 vibrazioni interconnesse e, seguendole tutte contemporaneamente, il team di ricerca è stato in grado di calcolare lo spettro infrarosso completo e di riprodurre le misurazioni sperimentali su tutta la gamma.
Secondo il Prof. Dr. Dominik Marx dell’Università della Ruhr di Bochum, un elemento decisivo è stata una descrizione eccezionalmente accurata delle forze tra gli atomi. Invece delle consuete approssimazioni, i ricercatori hanno modellato queste forze utilizzando una rete neurale artificiale, addestrata a Bochum su dati di chimica quantistica di alto livello. Questo modello di apprendimento automatico ha permesso loro di seguire il moto quantistico del protone con una precisione senza precedenti e senza alcun parametro regolabile.
«Le nostre simulazioni dimostrano che la configurazione delle molecole d’acqua circostanti è il fattore chiave che determina il modo in cui i protoni si muovono in una soluzione acquosa. L’impronta infrarossa del protone idratato, e in ultima analisi il suo caratteristico salto, è determinata soprattutto dalle asimmetrie locali nell’ambiente circostante», sottolinea Oriol Vendrell. Secondo gli scienziati, gli ultimi risultati della ricerca ampliano l’attuale comprensione di come l’acqua influenzi il modo in cui i protoni si muovono al suo interno.
Oltre ai ricercatori di Heidelberg e Bochum, hanno svolto un ruolo chiave nella ricerca anche scienziati dell’Università di Cambridge (Regno Unito) e dell’Université Bourgogne Europe di Digione (Francia). La ricerca è stata finanziata sia dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG) che dalla Royal Society. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista «Nature Chemistry».
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Altre notizie dal dipartimento scienza
Le notizie più lette
Altre notizie dagli altri portali
Vedere i mondi tematici per i contenuti correlati
Mondo Tematico della Spettroscopia
L'analisi attraverso la spettroscopia ci offre prospettive uniche sulla composizione e sulla struttura dei materiali. Dalla spettroscopia UV-Vis alla spettroscopia infrarossa e Raman, fino alla spettroscopia di fluorescenza e di assorbimento atomico - la spettroscopia ci fornisce un'ampia gamma di tecniche analitiche per caratterizzare le sostanze con precisione. Immergiti nell'affascinante mondo della spettroscopia!
Mondo Tematico della Spettroscopia
L'analisi attraverso la spettroscopia ci offre prospettive uniche sulla composizione e sulla struttura dei materiali. Dalla spettroscopia UV-Vis alla spettroscopia infrarossa e Raman, fino alla spettroscopia di fluorescenza e di assorbimento atomico - la spettroscopia ci fornisce un'ampia gamma di tecniche analitiche per caratterizzare le sostanze con precisione. Immergiti nell'affascinante mondo della spettroscopia!