Una conferma sperimentale dopo duecento anni
A duecento anni dalla prima teoria che cercava di spiegare come si muove un protone all’interno di un liquido, arriva la conferma sperimentale. L’articolo è stato pubblicato in una prestigiosa rivista di chimica, Angewandte Chemie, e sostanzialmente rivela che occorrono tre molecole d’acqua per schermare un protone all’interno del liquido e consentirgli di muoversi.
Il meccanismo di Grotthuss
La prima intuizione di come avvenisse lo spostamento di cariche in acqua risale all’inizio dell’Ottocento e porta il nome del chimico Theodor Grotthuss. All’epoca si sapeva a malapena come era fatta una molecola d’acqua, e il meccanismo proposto da Grotthuss era basato solamente su considerazioni geometriche: aveva ipotizzato che, per muoversi, un protone avesse bisogno esattamente di tre molecole d’acqua intorno.
L’intuizione di Grotthuss e la ricerca moderna
L’idea di proseguire sulle tracce dell’intuizione di Grotthuss venne a uno scienziato dell’università Ben Gurion del Neghev, in Israele. La questione ha un’importanza fondamentale in chimica, e in particolare nel ramo della solvatazione, la branca che cerca di comprendere come funzionano le soluzioni dal punto di vista microscopico. L’intuizione di Grotthuss si è rivelata corretta, ma prima d’ora era stata confermata solo a livello teorico, creando modelli e simulazioni al computer.
Perché il protone non è libero di muoversi
Per essere sicuri, quindi, mancava la conferma sperimentale. Facciamo un passo indietro però, per capire come mai c’è bisogno di stabilire un legame fra le molecole d’acqua e il protone, affinché questo si muova. In chimica, un protone è equivalente a un singolo nucleo di idrogeno (formato da un protone e un neutrone, ovvero un atomo senza il suo elettrone). Si tratta, a tutti gli effetti, di un campo elettrico molto intenso, carico positivamente, che non può muoversi liberamente in acqua. Non da solo: la sua carica deve essere schermata dalle molecole del liquido stesso. Quante, esattamente, e come fa a muoversi? Sono queste le due domande alle quali lo studio ha tentato di rispondere.
Polarizzazione delle molecole d’acqua
L’acqua è formata da molecole elettricamente neutre, ma al suo interno in verità le cariche positive e negative sono separate e, in presenza di un campo elettrico, si orientano di conseguenza: le parti negative vengono attratte e quelle positive respinte, e la molecola risulta polarizzata.
La conferma sperimentale definitiva
Per capire quante molecole d’acqua occorrano per schermare adeguatamente un protone, gli scienziati del Max Born Institute in Germania, che hanno collaborato con l’università israeliana per lo studio, hanno costruito un apparato sperimentale ad hoc. L’esperimento consisteva nel bombardare con dei raggi X a bassa energia le molecole d’acqua di una soluzione contenente cariche elettriche positive, per misurare quale energia avessero gli elettroni più esterni dei loro atomi.
Il ruolo delle tre molecole d’acqua
E, siccome l’energia degli elettroni nelle molecole d’acqua dipende da quante molecole d’acqua sono unite insieme, i risultati hanno permesso di determinare che sono esattamente tre. Tre molecole che servono per schermare un protone.
Il moto del protone nell’acqua
Quanto al moto, poi, gli scienziati hanno capito che non sono le tre molecole a muoversi, ma che il protone crea e distrugge continuamente queste subunità passando da una all’altra per spostarsi. Se dovessimo immaginare uno strato orizzontale di molecole d’acqua e un protone che deve spostarsi da sinistra a destra, potremmo pensare che esso proceda liberandosi di una molecola alla sua sinistra e afferrandone una alla sua destra, tracciando così il cammino che deve percorrere in tempo reale. In questo modo, il protone si assicura di averne sempre tre intorno.
Implicazioni nella chimica e tecnologia
Aver definito questo meccanismo è un passo avanti fondamentale nel mondo della Scienza e della chimica, con conseguenze non solo nella comprensione di come funzionano le soluzioni acquose ma anche, ad esempio, in ambiti tecnologici come lo sviluppo di motori a idrogeno.
Il ruolo fondamentale dei protoni nella produzione di energia attraverso le reazioni chimiche nelle celle a combustibile è ben noto. La conferma sperimentale del meccanismo di Grotthuss migliora la nostra comprensione su come i protoni si muovono nell’acqua e può portare a sviluppi significativi nella progettazione e l’ottimizzazione delle tecnologie basate sull’idrogeno.
Le future sfide della ricerca
Nonostante l’importante conferma sperimentale, le sfide nella ricerca legate al moto dei protoni nell’acqua e all’utilizzo di queste conoscenze in tecnologie innovative non sono finite. Gli scienziati continueranno a lavorare per affinare la comprensione del meccanismo di Grotthuss e per scoprire nuovi metodi per migliorare l’efficienza e l’efficacia delle tecnologie basate sull’idrogeno.
Il contributo della Scienza
La Scienza gioca un ruolo cruciale nel miglioramento della nostra conoscenza del mondo che ci circonda e nello sviluppo di tecnologie innovative. La ricerca sulla mobilità dei protoni nell’acqua è un esempio emblematico di come il progresso scientifico possa avere un impatto significativo in diversi settori, dalla chimica teorica alle applicazioni tecnologiche e industriali. La storia del meccanismo di Grotthuss dimostra l’importanza della collaborazione tra passato e presente nella ricerca, e come il lavoro degli scienziati di ieri possa ancora ispirare scoperte rivoluzionarie oggi.
