Un científico resuelve uno de los santos griales de la química física tras 17 años de investigación

Se revela que el Mecanismo de Grotthuss implica íntimamente no una, dos o cuatro moléculas, como se sugirió durante más de 100 años de investigación moderna, sino una disposición única de tres moléculas de agua

04.10.2022 - Israel

El profesor Ehud Pines es un iconoclasta. ¿Cómo se puede llamar a un científico que pasó 17 años persiguiendo obstinadamente la solución de un problema químico de más de 200 años que, en su opinión, nunca había recibido una respuesta satisfactoria utilizando métodos que ningún otro científico pensaba que podían conducir a la verdad? Ahora, ha sido reivindicado, ya que la prestigiosa revista Angewandte Chemie ha publicado un artículo de portada en el que se detalla cómo su experimento ha sido replicado por otro grupo de investigación, al tiempo que se han realizado radiografías que revelan la solución que el profesor Pines ha defendido todo el tiempo.

La cuestión que se plantea es: ¿Cómo se mueve un protón a través del agua? En 1806, Theodor Grotthuss propuso su teoría, que se conoció como el Mecanismo de Grotthuss. A lo largo de los años, muchos otros intentaron una solución actualizada, dándose cuenta de que, estrictamente hablando, Grotthuss era incorrecto, pero siguió siendo la respuesta estándar de los libros de texto. Hasta ahora.

El profesor Ehud Pines sugirió, basándose en sus estudios experimentales en la Universidad Ben-Gurion del Negev, junto con su estudiante de doctorado Eve Kozari, y en los estudios teóricos del profesor Benjamin Fingerhut sobre la estructura de los grupos de agua protonada del profesor Pines, que el protón se mueve a través del agua en trenes de tres moléculas de agua. El tren de protones "construye las vías" debajo de ellas para su movimiento y luego desmonta las vías y las reconstruye delante de ellas para seguir avanzando. Es un bucle de vías que desaparecen y vuelven a aparecer y que continúa sin fin. Varios científicos propusieron ideas similares en el pasado, pero, según el profesor Pines, no se asignaron a la estructura molecular correcta del protón hidratado que, por sus propiedades estructurales triméricas únicas, lleva a promover el mecanismo de Grotthuss.

"Los debates sobre el mecanismo de Grotthuss y la naturaleza de la solvatación de protones en el agua se han acalorado", afirma el profesor Pines, "ya que se trata de uno de los retos más básicos de la química. La comprensión de este mecanismo es ciencia pura, que empuja los límites de nuestro conocimiento y cambia una de nuestras comprensiones fundamentales de uno de los mecanismos de transporte de masa y carga más importantes de la Naturaleza."

Aunque en los últimos años otros estudios teóricos confirmaron los hallazgos del Prof. Pines sobre el protón hidratado acomodado por una cadena de tres moléculas de agua, la mayor parte de la comunidad científica mundial que trabaja en este campo seguía siendo reacia a aceptar el modelo emergente del Prof. Pines para la solvatación y el movimiento de protones en el agua. Por ello, el profesor Pines se puso en contacto con sus antiguos colaboradores del Instituto Max Born de Alemania. Reunieron un equipo de investigación internacional organizado por el Dr. Erik Nibbering y reprodujeron el experimento, esta vez radiografiando el sistema químico. El experimento con rayos X -que requirió un equipo especialmente diseñado que costó millones de dólares financiados por el Consejo Europeo de Investigación- confirmó los hallazgos del profesor Pines. El experimento de absorción de rayos X (XAS) midió el efecto de la carga de protones en la estructura de los electrones internos de los átomos de oxígeno del agua. Tal y como predijo el Prof. Pines, se descubrió que las tres moléculas de agua son las más afectadas por la presencia del protón, cada una en diferente medida, y, junto con el protón, forman cadenas o "trenes" de moléculas de agua protonadas.

"Todo el mundo pensó en este problema durante más de 200 años, así que para mí fue un reto suficiente para decidirme a abordarlo. Diecisiete años después, me complace haber encontrado y demostrado la solución", dice el profesor Pines.

Es posible que la próxima edición de los libros universitarios de química sustituya la descripción del Mecanismo de Grotthuss por el "Mecanismo de Pines", una idea que hace gracia al Prof. Pines, pero que no es más que una curiosidad comparada con la revelación que supone comprender este mecanismo básico de uno de los procesos más comunes y fundamentales de la Naturaleza.

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