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 Ionen gegen Herzrhythmusstörungen – Nicht-invasive Alternative zu Katheter-Eingriff
20.01.2017 | GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

nachricht Leibwächter im Darm mit chemischer Waffe
20.01.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

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: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise