Protonestafette in water
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam hebben ontdekt hoe het komt dat positief geladen waterstofatomen, zogenaamde protonen, zich uitzonderlijk snel door water (H2O) kunnen bewegen. Uit hun metingen blijkt dat de protonen zelf nauwelijks bewegen, maar dat hun lading razendsnel in estafette wordt doorgegeven door de waterstofatomen van naburige watermoleculen. Dit is mogelijk omdat elk watermolecuul twee waterstofatomen bevat die de lading van het proton kunnen overnemen. De grote beweeglijkheid van protonen in water is essentieel voor bepaalde biologische processen. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 7 april 2006 in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.
Zuur water is water waarin protonen zijn opgelost. Protonen zijn positief geladen waterstofatomen, geschreven als H+. Deze protonen hebben de bijzondere eigenschap dat ze zich heel snel door water kunnen bewegen. Hun beweeglijkheid is ongeveer tien keer zo groot als bijvoorbeeld die van andere geladen deeltjes (ionen) opgelost in water. Voorbeelden van dit soort trage ionen zijn de natrium- en chloride-ionen van keukenzout. De grote beweeglijkheid van protonen is een unieke eigenschap van water. Het speelt een essentiële rol in bepaalde biologische processen, waaronder de fotosynthese en de productie van ATP.
Over de reden waarom protonen zo snel door water kunnen bewegen was tot dusver niet veel bekend. Wel was het duidelijk dat protonen niet door de oplossing bewegen zoals natrium- en chloride-ionen dat doen, namelijk via diffusie. In dat geval zou het proton zich namelijk zeker tien keer langzamer bewegen dan wordt waargenomen.
Transport van elektronen
Onderzoekers Sander Woutersen en Huib Bakker van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben met behulp van zeer korte infrarode lichtpulsen kunnen achterhalen hoe het komt dat protonen zich zo snel door water kunnen verplaatsen. Uit hun metingen blijkt dat niet het proton, maar alleen zijn lading zich door het water verplaatst. Dat is mogelijk doordat alle watermoleculen (H2O) van zichzelf al twee waterstofatomen (H) bevatten. Een proton (H+) dat zich naast een watermolecuul bevindt, neemt een (negatief geladen) elektron over van een waterstofatoom van het naburige watermolecuul: H+ wordt dan H, en het waterstofatoom van het watermolecuul wordt H+. Het gevolg van deze overdracht van een elektron is dat de lading van het proton over de lengte van een watermolecuul is verplaatst, alhoewel het protondeeltje zelf vrijwel stilstaat. Het transport van protonen in water volgt dus niet uit de beweging van positief geladen deeltjes, de protonen, maar uit het bewegen van negatief geladen elektronen in de tegenovergestelde richting.
Dit mechanisme verklaart waarom protonen zich zo snel in water bewegen. Elektronen zijn namelijk maar liefst tweeduizend keer lichter dan protonen. Daardoor kunnen ze zich veel sneller verplaatsen. Uit de metingen blijkt dat de elementaire stap van het doorgeven van lading tussen het losse proton en een waterstofatoom van een naburig watermolecuul gebeurt op een tijdschaal van minder dan 100 femtoseconden (10-13 seconde). De resultaten zullen zorgen voor een beter begrip van chemische en biologische processen waarin proton-transport een rol speelt.
Meer informatie is te verkrijgen bij Sander Woutersen en/of Huib Bakker, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica AMOLF te Amsterdam, telefoon (020) 608 12 34;
en op de website www.amolf.nl/research/2d