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Ob in unserem Körper oder in Brennstoffzellen – Phosphorsäure spielt eine wichtige Rolle in vielen chemischen Prozessen, da sie außergewöhnlich gut Ladungen transportieren kann. Forschende der Abteilung Molekülphysik am Fritz-Haber-Institut haben neue Erkenntnisse über diese besondere Eigenschaft des kleinen Moleküls gewonnen.
Wichtige Aspekte:
- Das Untersuchungsobjekt: Das Team untersuchte ionische Dimere der Phosphorsäure, eines kleinen Moleküls, das in lebenden Organismen positive Ladungen mit außergewöhnlicher Effizienz transportieren kann und aufgrunddessen auch häufig in Energietechnologien wie Brennstoffzellen Anwendung findet. Sie wollten herausfinden, wie und warum dieses Molekül so leistungsfähig beim Transport von Ladungen ist.
- Das Experiment: Die Forschenden kühlen die Phosphorsäure-Dimere auf nur 0,37 Kelvin herunter, um ihre Struktur mithilfe von IR-Strahlung und quantenchemischen Berechnungen präzise zu bestimmen.
- Neue Erkenntnisse: Die experimentellen Daten zeigen eindeutig, dass nur eine Strukturform des Phosphorsäure-Dimers gebildet wird und nicht zwei, wie durch Berechnungen vorhergesagt. Die beobachtete Struktur weist ein ähnliches Netz von Wasserstoffbrückenbindungen auf wie andere phosphorsäurehaltige Cluster, was darauf hindeutet, dass dieses Strukturmotiv für Phosphorsäure-Wechselwirkungen typisch sein könnte.
- Relevanz der Erkenntnisse: Die Studie beleuchtet die molekularen Mechanismen der "Protonenautobahn der Natur": die hohe Protonenleitfähigkeit von Phosphorsäure. Die Ergebnisse vertiefen unser Verständnis des Protonentransfers in biologischen Systemen und eröffnen neue Möglichkeiten für die Entwicklung neuer protonenleitender Materialien.
Wie Kleine elektrische Signale unser Leben kontrollieren
In jedem Augenblick bewegen sich Tausende von Ladungen durch unseren Körper. Die winzigen elektrischen Signale sind für das Leben von grundlegender Bedeutung: Signalübertragung, Energieumwandlung oder Stoffwechselprozesse hängen von der präzisen, regulierten Bewegung von Ladungen über biologische Membranen und innerhalb von Zellen ab. Ladungstransport ist ein zentraler Kontrollmechanismus.
Phosphorsäure (H3PO4) und ihre Derivate sind in der Natur allgegenwärtig, beispielsweise als Hauptbestandteil von DNA und RNA, in Zellmembranen und als Teil des universellen Energieträgers ATP. Diese Moleküle haben sich als besonders wichtig für den Transport positiver Ladungen in lebenden Systemen erwiesen. Phosphorsäure ist wegen ihrer außergewöhnlich hohen Protonenleitfähigkeit auch von großer technischer Bedeutung und wird häufig in bestimmten Batterien und Brennstoffzellen verwendet.
Protonen, Träger einer positiven Ladung, bewegen sich durch phosphathaltige Verbindungen wie Passagiere in einem Bus: Sie „springen“ von Molekül zu Molekül und nutzen dabei Wasserstoffbrücken als Transportwege. Dieser als „Protonen-Shuttling“ bezeichnete Mechanismus ermöglicht einen sehr schnellen Ladungstransfer. Obwohl allgemein bekannt ist, dass dieser Mechanismus existiert, bleiben grundlegende Fragen unbeantwortet. In ihrer aktuellen Studie untersuchen Forschende der Abteilung Molekülphysik am Fritz-Haber-Institut gemeinsam mit Kollegen aus Leipzig und den USA die Struktur eines wichtigen Phosphorsäure-Anionkomplexes. Damit erlangen sie Aufschluss über die ersten elementaren Schritte des faszinierenden Ladungstransferprozesses.
Ein kalter Blick auf heiße Chemie mit kryogener Spektroskopie
Frühere Studien weisen darauf hin, dass eine bestimmte negativ geladene Phosphorsäureverbindung Ausgangspunkt der Protonen-Shuttling-Kaskade ist: das deprotonierte Dimer, H3PO4·H2PO4-. Um mehr über Rolle dieses Dimers zu erfahren, haben die Forschenden dieses Molekül im Labor hergestellt und unter kryogenen Bedingungen untersucht. Sie platzierten das Molekül in einem Helium-Nanotröpfchen, um es auf nur 0,37 Grad über dem absoluten Nullpunkt abzukühlen, und untersuchten die Struktur des Dimmers mithilfe von Infrarotstrahlung. Die extreme Kühlung beseitigt störende Faktoren nahezu vollständig und ermöglicht so eine hochpräzise Auflösung der Molekülstruktur. Die experimentelle Strukturanalyse wurde durch quantenchemische Berechnungen unterstützt, die eine Vorhersage der Struktur und des Verhaltens des Moleküls ermöglichen.
Ein unsichtbares Netzwerk aus Wasserstoffbrückenbindungen aufgedeckt
Interessanterweise stimmten die experimentellen Daten nur teilweise mit der theoretischen Vorhersage überein. Während die Berechnungen zwei mögliche Strukturen vorhersagten, die theoretisch gleich wahrscheinlich auftreten sollten, zeigten die experimentellen Daten eindeutig, dass das deprotonierte Dimer der Phosphorsäure eine einzige, stabile Struktur annimmt. Diese Struktur ist relativ starr und hat hohe Barrieren für den Protonentransfer. Sie enthält drei Wasserstoffbrückenbindungen und ein gemeinsames Akzeptor-Sauerstoffatom. Andere Studien zu phosphorsäurehaltigen Clustern beschreiben ein ähnliches Netzwerk, was darauf hindeutet, dass dieses Bindungsmotiv für derartige Systeme typisch sein könnte. Die Ergebnisse verdeutlichen die Grenzen theoretischer Vorhersagen und unterstreichen die Bedeutung von Experimenten für die genaue Bestimmung der Struktur von Biomolekülen.
Warum diese Forschungsergebnisse wichtig sind
Diese Arbeit liefert Einblicke in den molekularen Ursprung der außergewöhnlichen Protonenleitfähigkeit von Phosphorsäure, der „Protonenautobahn der Natur Die Strukturanalyse ergibt eine einzige Struktur des wichtigen anionischen Dimers H3PO4·H2PO4- mit einem Netz aus Wasserstoffbrücken, das für den Protonentransport in phosphorsäurebasierten Systemen von entscheidender Bedeutung sein könnte. Die Studie dient als Maßstab für quantenchemische Methoden zur Modellierung phosphathaltiger Cluster. Die Ergebnisse erweitern unser Verständnis des biologischen Protonentransfers und eröffnen neue Wege für die Entwicklung effizienterer protonenleitender Materialien.
América Yareth Torres Boy, torres@fhi.mpg.de
Prof. Gert von Helden, helden@fhi-berlin.mpg.de
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpca.5c06704
Das deprotonierte Dimer der Phosphorsäure H3PO4·H2PO4- mit Infrarotspektroskopie untersucht.
Copyright: © FHI / Rakesh Prabhu
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Studierende, Wissenschaftler, jedermann
Biologie, Chemie, Energie, Physik / Astronomie, Werkstoffwissenschaften
überregional
Buntes aus der Wissenschaft, Forschungsergebnisse
Deutsch
Das deprotonierte Dimer der Phosphorsäure H3PO4·H2PO4- mit Infrarotspektroskopie untersucht.
Copyright: © FHI / Rakesh Prabhu
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