Investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA) y el Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (ISQCH) han confirmado de forma experimental un mecanismo que explica la alta movilidad del ión hidrógeno en el agua, planteado por el químico Grotthuss hace más de 200 años. La revista Angewandte Chemie destaca en su portada este avance, que abre nuevos campos de aplicación a los materiales moleculares no porosos.
La revista Angewandte Chemie destaca como hot paper, y lo selecciona para su portada, el trabajo realizado por investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA) y el Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (ISQCH) –ambos mixtos del CSIC y la Universidad de Zaragoza– junto a otros investigadores de Francia y Australia.
El estudio también ha sido escogido como uno de los más significativos del año 2013 por demostrar el mecanismo de Grotthuss y abrir una nueva vía para el desarrollo de nuevas aplicaciones de los materiales moleculares no porosos.
El movimiento de agua y protones, incluyendo el transporte en espacios cerrados, ha sido objeto de estudio desde hace tiempo. En 1806 Theodor Grotthuss propuso una teoría para explicar la electrolisis del agua.
Partiendo de las ideas de Grotthuss, los científicos de sucesivas generaciones desarrollaron la teoría según la cual los protones se movían de una molécula a la siguiente, a lo largo de una cadena de moléculas de agua unidas por enlaces de hidrógeno, de manera que no tenía lugar una transferencia directa del protón de un extremo a otro de la cadena, sino de una molécula a la siguiente.
Estos movimientos tienen importantes implicaciones tanto a nivel biológico como tecnológico por lo que se investigan dentro de disciplinas tales como la química, la física, la biología y la ingeniería química. A nivel biológico se pueden mencionar las acuaporinas, también conocidas por “canales de agua” que son proteínas que forman poros en las membranas de las células biológicas dejando pasar el agua dentro y fuera de las células de forma selectiva.
En un campo muy diferente como es el tecnológico, las pilas de hidrógeno de membrana polimérica producen energía sin utilizar combustibles fósiles y por lo tanto sin originar CO2, lo que hace que sean de gran interés, entre otros, para las grandes empresas automovilísticas. El 'nafion', que es una de las membranas más utilizadas en la actualidad posee también canales de agua que si bien facilitan la conducción del hidrógeno, no permiten temperaturas mayores de 100 ºC.
Como los pasos de los bailarines
Los resultados obtenidos han demostrado que, con los materiales moleculares, es posible conseguir que los átomos de hidrógeno 'pasen' a través de un sólido sin la existencia de canales específicos para ello. Este mecanismo se puede asimilar a los pasos que realizan los bailarines de ballet.
Una de las dos fases del mecanismo es la rotación de la molécula de agua, que se asemeja a una suave pirueta de una bailarina y la otra fase corresponde al paso del átomo de hidrógeno de una molécula de agua a la siguiente semejante al salto de un bailarín. Gracias a este descubrimiento se abre un mundo de aplicaciones para materiales moleculares aunque no tengan canales de agua, al mismo tiempo que permite un conocimiento más profundo sobre las formas de transporte de protones.
Este trabajao lo ha realizado el equipo de investigación de Larry Falvello, Fernando Palacio y Elena Forcén-Vázquez del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón, ICMA (CSIC-UZ) y de Milagros Tomás del Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea, ISQCH (CSIC-UZ) en colaboración con investigadores de los centros de neutrones ANSTO (Sydney, Australia) e ILL (Grenoble, Francia).
La Real Academia Sueca de las Ciencias ha concedido la mitad de este galardón al bioquímico estadounidense David Baker por diseñar desde cero nuevas proteínas mediante su programa RoseTTAFold. La otra mitad la comparten el británico Demis Hassabis y el también estadounidense John M. Jumper, ambos de la empresa DeepMind de Google, que lograron predecir las estructura proteicas con IA.
Un estudio internacional con participación del CSIC ha demostrado que reemplazar un solo átomo en posiciones estratégicas de la secuencia genética puede revertir su dirección de rotación. Según los autores, el hallazgo podría convertirse en una importante diana terapéutica al desempeñar un papel importante en diversos procesos biológicos.
