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Dem Team gehörten Nibberings Mitarbeiter Omar F.
Mohammed, Doktorand aus Ägypten, und der Theoretiker Jens Dreyer sowie
Kollegen um Ehud Pines von der israelischen Ben Gurion University of
the Negev.
Der Protonentransfer ist zum Beispiel einer der
Mechanismen, der uns vor der schädigenden Wirkung des Sonnenlichts
schützt. Trifft UV-Strahlung auf unsere Haut, dann muss deren
zerstörerische Energie in den Zellen abgeleitet werden. Dieser
Energietransfer geschieht durch die Bewegung eines Wasserstoff-Ions.
Lange Zeit war nicht klar, wie der Transfer von Protonen in wässrigen
Lösungen vonstatten geht. Denn Protonen bewegen sich im Wasser nicht
frei, sondern verbinden sich mit den H2O-Molekülen über die so
genannten Wasserstoffbrücken. Es entsteht Hydronium (H3O+), aber auch
das bleibt nicht allein, sondern bildet Komplexe mit benachbarten
Wassermolekülen. Diese Komplexe ändern sich kontinuierlich, manche
tragen Forscher-Namen, wie das Zundel-Kation (H5O2+)
und das Eigen-Kation (H9O4+).
Den Wissenschaftlern um Erik Nibbering ist es nun
gelungen, mit ultrakurzen Laserblitzen Schnappschüsse der
Protonenbewegung zu machen. Es zeigte sich, dass die Wasserstoff-Ionen
von den Molekülen in der Lösung gewissermaßen durchgereicht werden.
Die Forscher führten ihre Messungen in einem Säure-Base-Gemisch in
wässriger Lösung durch.
Wasserstoff-Ionen werden in Wasser sehr effizient
durchgeleitet. Erste theoretische Überlegungen zu diesem Vorgang
stellte vor genau 200 Jahren bereits der deutsch-baltische Gelehrte
Theodor von Grotthuss an, und seit genau 100 Jahren sprechen die
Wissenschaftler vom "Grotthuss-Mechanismus", um das sprunghafte
Weiterreichen von Protonen an benachbarte Wassermoleküle an zu deuten
(siehe Abbildung 1). "Man kann sich das vorstellen wie bei der
Verstärkung eines Deichs mit Sandsäcken", sagt Nibbering. Eine
Menschenkette reicht die Säcke effizienter und schneller durch, als
wenn jeder allein die Säcke zum Deich bringen muss. "Man könnte auch
Protonen-Hopping sagen", erläutert Nibbering.
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Abbildung 1: Der
Grotthuss-Mechanismus für den Protonentransfer in Wasser: Blau
umrahmt ist ein Hydronium-Ion (H3O+). Ohne
dass sich wirklich etwas bewegt, wandert die positive Ladung über
die Moleküle. Es verändern sich nur die Brückenbindungen (dünne
schwarze Linien). Das linke Hydronium-Ion lässt sozusagen ein
Proton los, das mittlere Wassermolekül fängt es auf und wird
selbst zu Hydronium, lässt wieder los, und das rechte
Wassermolekül greift zu.
Abb.: MBI |
Kurz vor der Jahrtausendwende sind zahlreiche
theoretische Verfeinerungen hinzugekommen. So ist beispielsweise aus
den detaillierten Berechnungen vom Dominik Marx, Mark Tuckerman und
Michele Parrinello klar geworden, dass die Protonenwanderung
ermöglicht wird, wenn die benachbarten Wassermoleküle zu gewissen
Zeitpunkten Zundel- und zu anderen Zeitpunkten
Eigen-Kation-Konfigurationen annehmen.
Aus den Beiträgen des deutschen
Chemie-Nobelpreisträgers Manfred Eigen und von Albert Weller Mitte des
20. Jahrhunderts haben Theoretiker abgeleitet, dass der Austausch von
Protonen zwischen Säuren und Basen in wässrigen Lösung auf ähnliche
Art passieren müsste. Aber erst jetzt folgte die experimentelle
Bestätigung des Protonen-Hoppings durch die Arbeit in Science (siehe
Abbildung 2).
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Abbildung 2: "Hopping"
in dem Protonen-Austausch zwischen der Säure und der Base.
Abb.: MBI |
Ermöglicht hat dies eine Technik, mit der Messungen
im Abstand von rund hundertfünfzig Femtosekunden erfolgen. Das ist
unvorstellbar schnell. Zum Vergleich: Knipst man einen Laserstrahl an
und lässt ihn eine Sekunde leuchten, so ist der Strahl fast auf dem
Mond angekommen. Nach 100 Femtosekunden dagegen hat der Laserstrahl
eine Länge, die ungefähr dem Durchmesser eines Haares entspricht. Die
Wissenschaftler nutzten für ihre Experimente ein Säure-Basen-Gemisch,
mit dem sie bereits vor zwei Jahren Studien zum Protonentransfer
machten. "Damals konnten wir aber noch nicht die Zwischenschritte
sehen, sondern nur Anfang und Ende des Protonentransfers", berichtet
Nibbering. Durch eine Veränderung des Säure-Basen-Gemischs gelang es
jedoch, die Reaktion so zu verlangsamen, dass nun das Protonen-Hopping
über Wassermoleküle dokumentiert werden konnte. |
