Une énigme séculaire de la chimie physique enfin résolue

Comment un proton se déplace‑t‑il dans l’eau? La théorie proposée par le chimiste Theodor Grotthuss il y a plus de 200 ans a peut‑être satisfait d’autres scientifiques, mais pas le professeur Ehud Pines de l’université Ben‑Gourion du Néguev (BGU), en Israël. Aujourd’hui, après 17 ans de recherche, il a été conforté par un autre groupe de chercheurs qui, avec le soutien des projets XRayProton et SMART‑X, financés par l’UE, a reproduit son expérience, révélant ainsi la solution qu’il avait toujours proposée. L’étude, dont Ehud Pines est l’un des coauteurs, a été publiée dans l’édition internationale de la revue «Angewandte Chemie».Comme le décrit un article publié sur le site web de la BGU, Ehud Pines avait précédemment suggéré que le proton se déplace dans l’eau en chaînes, ou «trains», de trois molécules d’eau: «Les trains de protons “construisent les rails” sous eux pour se déplacer, puis démontent les rails et les reconstruisent devant eux pour continuer à avancer. C’est une boucle de rails qui disparaissent et réapparaissent à l’infini.» Bien que des théories similaires aient été avancées par différents scientifiques par le passé, l’article rapporte que les molécules d’eau «n’ont pas été assignées à la structure moléculaire correcte du proton hydraté qui, par ses propriétés structurelles trimériques uniques, conduit à promouvoir le mécanisme de Grotthuss».

Ehud Pines explique: «Les débats sur le mécanisme de Grotthuss et la nature de la solvatation des protons dans l’eau se sont enflammés, car il s’agit de l’un des défis les plus fondamentaux de la chimie. Comprendre ce mécanisme est de la science pure, qui repousse les limites de nos connaissances et modifie l’une de nos compréhensions fondamentales de l’un des mécanismes de transport de masse et de charge les plus importants de la nature.»

Pour s’attaquer à la réticence de la communauté scientifique mondiale à accepter la solution d’un proton hydraté hébergé par une chaîne de trois molécules d’eau, Ehud Pines s’est associé à une équipe de chercheurs d’Allemagne et de Suède. Dirigée par le Dr Erik Nibbering, auteur principal de l’étude et rattaché à l’Institut Max Born d’optique non linéaire et de spectroscopie à impulsions courtes, en Allemagne, l’équipe a reproduit l’expérience d’Ehud Pines. Ils ont radiographié le système chimique à l’aide d’un équipement spécialement conçu et financé par le Conseil européen de la recherche, ce qui a confirmé les conclusions d’Ehud Pines: la présence du proton a le plus grand effet sur trois molécules d’eau — affectant chacune d’entre elles dans une mesure différente — et, avec le proton, ces molécules forment des trains de trois molécules d’eau protonées.

«Tout le monde a réfléchi à ce problème pendant plus de 200 ans, c’était donc une raison suffisante pour que je décide de relever ce défi. Dix‑sept ans plus tard, je suis heureux d’avoir très probablement trouvé et démontré la solution», déclare Ehud Pines dans l’article.

L’étude, partiellement soutenue par XRayProton (Ultrafast Structural Dynamics of Elementary Water-Mediated Proton Transport Processes) et SMART‑X (Study of carrier transport in MAterials by time-Resolved specTroscopy with ultrashort soft X-ray light), démontre une nouvelle approche qui se concentre sur une transition graduelle entre les fortes interactions orbitales du proton hydraté avec les molécules d’eau les plus proches et les déplacements d’énergie orbitale induits dans les molécules d’eau plus éloignées. Comme indiqué dans l’étude, ces résultats «seront d’une grande utilité dans les études de l’état d’équilibre des protons hydratés et les études à résolution temporelle des mécanismes sous‑jacents du transport aqueux des protons».

Pour plus d’informations, veuillez consulter:

site web du projet SMART‑X

projet XRayProton