Simulações complexas: novas descobertas sobre o transporte de protões na água
Equipa internacional de investigação simula os movimentos de um protão hidratado com todo o detalhe quântico
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Simulações complexas — as mais elaboradas do género até à data — revelam como a água determina a forma como os protões se movem através dela. Foram realizadas por uma equipa de investigação internacional liderada por cientistas do Instituto de Química Física da Universidade de Heidelberg. Através da sua modelação, os investigadores de Cambridge (Reino Unido), Bochum, Dijon (França) e Heidelberg conseguiram acompanhar, com todo o detalhe quântico, os movimentos de um protão partilhado por seis moléculas de água. Na sua essência, o trabalho aborda a forma como um protão se move através da água: não como uma partícula isolada a flutuar, mas «saltando» de uma molécula para a seguinte.
Este movimento de «salto» é conhecido desde o século XIX. Quando um ácido se dissolve na água, o protão libertado — um ião de hidrogénio com carga positiva — não permanece ligado a uma única molécula de água. É altamente móvel e salta constantemente de uma molécula para a seguinte. Este chamado mecanismo de Grotthuss, a base do transporte de protões na água, é responsável, entre outras coisas, pela acidez da água e desempenha um papel crucial no armazenamento de energia em baterias e na transmissão de sinais nas células vivas. Devido à grande complexidade destes movimentos ultrarrápidos dos protões, estes são notoriamente difíceis de elucidar e, apesar da investigação intensiva, a dinâmica fundamental dos protões na água continua a ser objeto de debate.
Como explica o Prof. Dr. Oriol Vendrell, do Instituto de Química Física da Universidade de Heidelberg, até agora os protões hidratados têm sido representados através de duas estruturas idealizadas — os catiões de Zundel e os catiões de Eigen. Cada uma delas pressupõe um número diferente de moléculas de água às quais o protão se liga. Numa estrutura de Zundel, o protão é partilhado igualmente entre duas moléculas; numa estrutura de Eigen, liga-se a uma única molécula, formando um núcleo de hidrónio que, por sua vez, está ligado a mais três moléculas de água. «No entanto, estudos recentes que utilizam espectroscopia de infravermelhos revelam um estado que é muito mais dinâmico e se situa entre estes dois extremos», explica o Dr. David Mendive-Tapia, investigador de pós-doutoramento da equipa do Prof. Vendrell.
Para a investigação atual, os cientistas simularam um complexo de Zundel alargado com seis moléculas de água. Modificaram continuamente o sistema modelo removendo moléculas, fazendo com que este passasse de uma estrutura simétrica de Zundel para uma estrutura assimétrica de Eigen. Utilizando estas simulações, conseguiram acompanhar, com resolução quântica total, os movimentos acoplados do protão hidratado juntamente com as moléculas de água que o rodeiam. Estes movimentos correspondem a 51 vibrações interligadas e, ao acompanhar todas elas em simultâneo, a equipa de investigação conseguiu calcular o espectro de infravermelhos completo e reproduzir as medições experimentais em toda a gama.
Segundo o Prof. Dr. Dominik Marx, da Universidade Ruhr de Bochum, um elemento decisivo foi uma descrição excepcionalmente precisa das forças entre os átomos. Em vez das aproximações habituais, os investigadores captaram estas forças com uma rede neural artificial, treinada em Bochum com dados de química quântica de alto nível. Este modelo de aprendizagem automática permitiu-lhes acompanhar o movimento quântico do protão com uma precisão sem precedentes e sem quaisquer parâmetros ajustáveis.
«As nossas simulações mostram que a configuração das moléculas de água circundantes é o fator-chave que determina a forma como os protões se movem numa solução aquosa. A «impressão digital» no infravermelho do protão hidratado e, em última análise, o seu salto característico, são regidos sobretudo por assimetrias locais no seu entorno», salienta Oriol Vendrell. Segundo os cientistas, os resultados mais recentes da investigação ampliam a compreensão atual sobre a forma como a água molda o movimento dos protões através dela.
Para além dos investigadores de Heidelberg e Bochum, cientistas da Universidade de Cambridge (Reino Unido) e da Université Bourgogne Europe, em Dijon (França), desempenharam um papel fundamental na investigação. Tanto a Fundação Alemã de Investigação como a Royal Society financiaram a investigação. Os resultados foram publicados na revista «Nature Chemistry».
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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