Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Konzertiertes Protonen-Hopping in Wasser

22.07.2013
Protonen hüpfen bei energetisch günstiger Situation von einem Wassermolekül zum anderen – Neues Modell erweitert Grotthuß-Mechanismus

Das Proton, also das positiv geladene Wasserstoffion, bewegt sich in Wasser sehr schnell von einem Wassermolekül zum nächsten, weshalb Wasser eine relativ hohe Leitfähigkeit besitzt. Das Prinzip der Protonenleitung in Wasser ist seit 200 Jahren bekannt und nach seinem Entdecker Theodor Grotthuß als Grotthuß-Mechanismus benannt.


Modell eines Wasserstoffbindungsbrücken-Netzwerks von flüssigem Wasser
Abb.: Thomas D. Kühne, JGU

Es geht davon aus, dass nicht ein und dasselbe Proton von einem Molekül zum anderen wandert, sondern dass Bindungen aufgebrochen werden, an denen das eine Proton andockt und dafür verlässt ein anderes Proton das Molekül, um andernorts zu binden. Der daraus resultierende Protonenleitungsmechanismus ähnelt einer Eimerkette, durch die sich die sehr hohe Mobilität der einzelnen Protonen erklären lässt.

Dieses Bild vereinfacht jedoch den Sachverhalt und unterschlägt die Komplexität der Struktur von Wasser. Nun haben Wissenschaftler aus Zürich und Mainz den Mechanismus anhand theoretischer Berechnungen präzisiert und gezeigt, dass die derzeit gültige Vorstellung der Protonenleitung einer Revision bedarf.

„Die Simulation zeigt, dass der Übergang von einem Wassermolekül zum nächsten viel schneller erfolgt als vermutet und dann in eine Ruhephase bis zum nächsten Übergang eintritt“, erläutert Prof. Dr. Thomas D. Kühne vom Institut für Physikalische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) die Ergebnisse. Sie wurden am 18. Juli 2013 vorab online im Portal der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

"Wir zeigen, dass die Diffusion von Protonen und Hydroxidionen während Phasen intensiver Aktivität mit konzertiertem Protonen-Hopping stattfindet, gefolgt von Phasen der Ruhe", schreibt Erstautor Ali A. Hassanali von der ETH Zürich in der Veröffentlichung. In dem Bild, das sich die Wissenschaftler von der Protonenleitung nun machen, entspricht das Wasserstoffbrücken-Netzwerk einer Ansammlung von in sich geschlossenen Ringen. Die sich daraus ergebenden Protonen-Ketten dienen in dem Wasserstoffbrücken-Netzwerk als "Fahrbahn" für lange Protonensprünge über mehrere Wasserstoffbrückenbindungen hinweg. "Die Wassermoleküle tanzen umeinander herum, bis sie eine energetisch günstige Position erreicht haben. Dann erst hüpft das Proton entlang der Leitung zum anderen Molekül", beschreibt Kühne den Vorgang. Zwischenzeitlich kommt es dadurch kurz zur Bildung von protonierten Wassermolekülen mit drei Protonen.

Neben der Bedeutung für den Protonentransfer in wässrigen Systemen dürften die Ergebnisse auch für wichtige biologische Systeme wie Enzyme und andere Makromoleküle relevant sein.

Veröffentlichung:
Ali A. Hassanali et al.
Proton Transfer through the Water Gossamer
PNAS, 18. Juli 2013
DOI: 10.1073/pnas.1306642110
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Thomas D. Kühne
Institut für Physikalische Chemie
Schwerpunkt für Rechnergestützte Wissenschaften
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
D 55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23699
E-Mail: kuehne@uni-mainz.de
http://www.tc.uni-mainz.de/
http://www.csm.uni-mainz.de/242.php
Weitere Links:
http://www.pnas.org/content/early/2013/07/17/1306642110.abstract – Abstract
Weitere Informationen:
http://www.uni-mainz.de/presse/57094.php
- Pressemitteilung ;
http://www.pnas.org/content/early/2013/07/17/1306642110.abstract
- Veröffentlichung ;
http://www.tc.uni-mainz.de/
- Theoretische Chemie am Institut für Physikalische Chemie

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-mainz.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers
28.04.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Forschungsteam entdeckt Mechanismus zur Aktivierung der Reproduktion bei Pflanzen
28.04.2017 | Universität Hamburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie