Descubren el secreto de la "autopista de protones" en la naturaleza

Cada segundo, innumerables cargas eléctricas se desplazan por el cuerpo humano, siendo esenciales para la vida. Estos diminutos impulsos facilitan la comunicación entre células, la producción de energía y el metabolismo. Sin la cuidadosa y controlada movilidad de estas cargas, los procesos biológicos no serían posibles. En este contexto, el transporte de cargas actúa como un sistema de control fundamental para la biología.

El ácido fosfórico (H₃PO₄) y compuestos relacionados se encuentran prácticamente en todos los sistemas vivos. Son componentes clave del ADN y el ARN, forman parte de las membranas celulares y son centrales en el ATP, la molécula que almacena y transfiere energía en las células. Estos compuestos desempeñan un papel crucial en el movimiento de cargas positivas, conocidas como protones. Además de su función biológica, el ácido fosfórico se utiliza ampliamente en tecnologías como baterías y pilas de combustible debido a su excepcional capacidad para conducir protones.

Cómo se mueven los protones a través de las moléculas

Los protones se desplazan a través de materiales que contienen fosfato de una manera única. En lugar de moverse libremente, saltan de una molécula a otra. Los enlaces de hidrógeno actúan como caminos que guían este movimiento. Este proceso, conocido como "transporte de protones", permite que las cargas se muevan con gran rapidez.

A pesar de que los científicos han comprendido durante mucho tiempo que el transporte de protones ocurre, los detalles moleculares exactos han permanecido poco claros. Para investigar este fenómeno, un equipo de investigadores del Departamento de Física Molecular del Instituto Fritz Haber, junto con colaboradores de Leipzig y los Estados Unidos, se centró en una estructura molecular clave involucrada en este proceso. Su objetivo fue identificar cómo se llevan a cabo los primeros pasos de la transferencia de protones.

Estudio del transporte de protones a temperaturas extremas

Investigaciones anteriores sugirieron que una molécula específica con carga negativa podría iniciar el proceso de transporte de protones. Esta molécula, conocida como el dimerizado deprotonado H₃PO₄·H₂PO₄^-, se convirtió en el foco del estudio.

Para examinarla en detalle, los científicos crearon la molécula en el laboratorio y la enfriaron a temperaturas extremadamente bajas. Al colocarla dentro de un nanogote de helio, lograron reducir su temperatura a solo 0.37 grados por encima del cero absoluto. A esta temperatura, las perturbaciones no deseadas se eliminan casi por completo, lo que permitió a los investigadores analizar su estructura con alta precisión utilizando espectroscopia infrarroja.

Los resultados experimentales se combinaron con cálculos químicos cuánticos, que ayudan a predecir cómo se organizan y comportan las moléculas. Juntas, estas aproximaciones proporcionaron una imagen más clara de la molécula que cualquiera de los métodos por separado.

Surge una única estructura

Los hallazgos revelaron un resultado inesperado. Los modelos teóricos habían predicho que la molécula podría existir en dos estructuras igualmente probables. Sin embargo, los datos experimentales mostraron solo una configuración estable.

Esta estructura es relativamente rígida y presenta tres enlaces de hidrógeno conectados a través de un átomo de oxígeno compartido. También presenta altas barreras que limitan la facilidad con que los protones pueden moverse dentro de ella. Patrones de enlace similares se han observado en otros grupos de ácido fosfórico, sugiriendo que este arreglo podría ser una característica estructural común.

Estos resultados destacan un punto importante: incluso los modelos teóricos avanzados pueden pasar por alto detalles clave, lo que hace que la verificación experimental sea esencial para comprender las estructuras moleculares.

Por qué este descubrimiento es relevante

Esta investigación ayuda a explicar la base molecular de la notable conductividad de protones del ácido fosfórico, a menudo descrita como "la autopista de protones de la naturaleza". Al identificar una única estructura bien definida para el dimerizado aniónico H₃PO₄·H₂PO₄^-, los científicos ahora tienen una mejor comprensión de cómo se mueven los protones a través de estos sistemas.

Los hallazgos también proporcionan un valioso punto de referencia para mejorar los modelos químicos cuánticos de moléculas a base de fosfato. Además, podrían guiar el desarrollo de nuevos materiales con una conductividad de protones mejorada, que son importantes para tecnologías como las pilas de combustible. Al mismo tiempo, este trabajo profundiza nuestra comprensión de cómo opera la transferencia de protones en sistemas biológicos.

Aspectos clave