Internationales Forschungsteam simuliert Bewegungen eines wässrigen Protons in allen quantenmechanischen Details

Komplexe Simulationen – die bisher größten ihrer Art – zeigen, wie Wasser die Bewegung von Protonen darin beeinflusst. Durchgeführt wurden sie von einem internationalen Forschungsteam unter Federführung von Wissenschaftlern des Physikalisch-Chemischen Instituts der Universität Heidelberg. Die Forscher aus Cambridge (UK), Bochum, Dijon (Frankreich) und Heidelberg konnten mit ihrer Modellierung in allen quantenmechanischen Details nachvollziehen, welche Bewegungen ein Proton inmitten von sechs Wassermolekülen vollzieht. Dabei geht es im Wesentlichen um die Frage, wie sich ein Proton durch Wasser bewegt: nicht als einzelnes, dahintreibendes Teilchen, sondern indem es von einem Molekül zum nächsten „hüpft“.

Das „Hüpfen“ wässriger Protonen ist ein seit dem 19. Jahrhundert bekanntes Phänomen: Wenn sich eine Säure in Wasser löst, bleibt das dabei freigesetzte Proton – ein positiv geladenes Wasserstoffion – nicht an einem einzigen Wassermolekül haften. Es ist hochbeweglich und springt ständig von einem Molekül zum nächsten. Dieser sogenannte Grotthuß-Mechanismus, die Grundlage für den Protonentransport in Wasser, ist unter anderem für den Säuregehalt von Wasser verantwortlich und spielt eine entscheidende Rolle bei der Energiespeicherung mit Batterien oder der Signalübertragung in lebenden Zellen. Aufgrund ihrer Komplexität lassen sich diese ultraschnellen Protonenbewegungen nur schwer nachvollziehen, und trotz intensiver Forschung ist die fundamentale Dynamik der Protonen in Wasser nach wie vor umstritten.

Wie Prof. Dr. Oriol Vendrell vom Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg erläutert, wurden hydratisierte Protonen bislang mithilfe von zwei idealisierten Strukturen dargestellt – den Zundel-Kationen und den Eigen-Kationen. Sie gehen jeweils von einer unterschiedlichen Anzahl an Wassermolekülen aus, mit denen das Proton Bindungen eingeht. Bei einer Zundel-Struktur verteilt sich ein Proton auf zwei Moleküle, bei einer Eigen-Struktur bindet es an ein einzelnes Molekül und bildet dabei einen Hydroniumkern, der wiederum mit drei weiteren Wassermolekülen verbunden ist. „Moderne Untersuchungen mit Infrarotspektroskopie zeigen jedoch einen Zustand, der weitaus dynamischer ist und zwischen diesen beiden Extremfällen liegt“, erklärt Dr. David Mendive-Tapia, der als Postdoktorand im Team von Prof. Vendrell forscht.

Für ihre aktuellen Forschungsarbeiten simulierten die Wissenschaftler einen erweiterten Zundel-Komplex mit sechs Wassermolekülen. Dabei veränderten sie das Modellsystem durch das Entfernen von Molekülen kontinuierlich, so dass es von einer symmetrischen Zundel-Struktur hin zu einer asymmetrischen Eigen-Struktur wechselte. Mithilfe dieser Simulationen gelang es ihnen, die gekoppelten Bewegungen des hydratisierten Protons und der umgebenden Wassermoleküle in voller quantenmechanischer Auflösung nachzuvollziehen. Es handelt sich um insgesamt 51 miteinander verflochtene Schwingungen; indem das Forschungsteam sie alle gleichzeitig verfolgte, konnte es das vollständige Infrarotspektrum berechnen und die experimentellen Messungen über das gesamte Spektrum hinweg reproduzieren.

Entscheidend dafür war nach Angaben von Prof. Dr. Dominik Marx von der Ruhr-Universität Bochum eine besonders genaue Beschreibung der zwischen den Atomen wirkenden Kräfte. Anstelle der üblichen Näherungsverfahren erfassten die Wissenschaftler diese Kräfte mit einem künstlichen neuronalen Netz, das in Bochum mit hochwertigen quantenchemischen Daten trainiert wurde. Dieses auf Maschinellem Lernen basierende Modell machte es möglich, die Quantenbewegungen des Protons mit bislang unerreichter Genauigkeit und ohne justierbare Parameter nachzuvollziehen.

„Ausschlaggebend dafür, wie sich Protonen in wässriger Lösung bewegen, so zeigen unsere Simulationen, ist die Konfiguration der sie umgebenden Wassermoleküle. Der Infrarot-Fingerabdruck des hydratisierten Protons, und letztlich auch sein charakteristisches Hüpfen, wird vor allem durch lokal auftretende Asymmetrien in der Umgebung bestimmt“, betont Oriol Vendrell. Die aktuellen Forschungsergebnisse erweitern nach Angaben der Wissenschaftler das bisherige Verständnis, wie das Wasser die Bewegung von Protonen darin beeinflusst.

Neben den Heidelberger und Bochumer Forschern waren an den Arbeiten Wissenschaftler der University of Cambridge (UK) und der Université Bourgogne Europe in Dijon (Frankreich) maßgeblich beteiligt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft und die Royal Society haben die Forschungsarbeiten gefördert. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Chemistry“ erschienen.