Prof. Ehud Pines. Foto via BGU-universiteit
Prof. Ehud Pines is een beeldenstormer. Hoe kun je anders een wetenschapper noemen die 17 jaar lang hardnekkig heeft gezocht naar de oplossing van een meer dan 200 jaar oud scheikundeprobleem waarvan hij vond dat hij nooit een bevredigend antwoord heeft gekregen met methoden waarvan geen enkele andere wetenschapper dacht dat ze tot de waarheid konden leiden?
Nu is hij gerechtvaardigd omdat het prestigieuze tijdschrift Angewandte Chemie een omslagartikel heeft gepubliceerd waarin wordt beschreven hoe zijn experiment werd gerepliceerd door een andere onderzoeksgroep terwijl er röntgenfoto's werden gemaakt om de oplossing te onthullen waar prof. Pines al die tijd voor heeft gepleit.
De vraag die voorligt is: hoe beweegt een proton door water? In 1806 stelde Theodor Grotthuss zijn theorie voor, die bekend werd als het Grotthuss-mechanisme. In de loop der jaren hebben vele anderen geprobeerd een bijgewerkte oplossing te bedenken, waarbij ze zich realiseerden dat Grotthuss strikt genomen onjuist was, maar het bleef het standaardantwoord uit het leerboek. Tot nu.
Prof. Ehud Pines suggereerde, op basis van zijn experimentele studies aan de Ben-Gurion Universiteit van de Negev in de afdeling Scheikunde, samen met zijn promovendus Eve Kozari, en theoretische studies door prof. Benjamin Fingerhut over de structuur van prof. Pines' geprotoneerde waterclusters, dat het proton door water beweegt in treinen van drie watermoleculen.
De protonentrein "bouwt de sporen" eronder voor hun beweging en demonteert vervolgens de sporen en herbouwt ze ervoor om door te gaan. Het is een lus van verdwijnende en weer verschijnende nummers die eindeloos doorgaat. Soortgelijke ideeën werden in het verleden door een aantal wetenschappers naar voren gebracht, maar volgens prof. Pines waren ze niet toegewezen aan de juiste moleculaire structuur van het gehydrateerde proton dat door zijn unieke trimere structurele eigenschappen leidt tot het bevorderen van het Grotthuss-mechanisme.
"De debatten over het Grotthuss-mechanisme en de aard van protonsolvatie in water zijn verhit geraakt", zegt prof. Pines, "omdat dit een van de meest fundamentele uitdagingen in de chemie is. Het begrijpen van dit mechanisme is pure wetenschap, het verleggen van de grenzen van onze kennis en het veranderen van een van onze fundamentele inzichten van een van de belangrijkste mechanismen voor massa- en ladingstransport van de natuur."
Terwijl in de afgelopen jaren aanvullende theoretische studies de bevindingen van prof. Pines bevestigden van het gehydrateerde proton dat wordt opgevangen door een keten van drie watermoleculen, bleef het grootste deel van de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap die in het veld werkt terughoudend om het opkomende model van prof. Pines voor protonsolvatie en beweging in het water. Dus zocht prof. Pines contact met oude medewerkers van het Max Born Institute in Duitsland. Ze stelden een internationaal onderzoeksteam samen, georganiseerd door Dr. Erik Nibbering en repliceerden het experiment, waarbij ze het chemische systeem röntgenstralen.
Het röntgenexperiment - waarvoor speciaal ontworpen apparatuur nodig was die miljoenen dollars kostte, gefinancierd door de European Research Council - bevestigde de bevindingen van prof. Pines. Het X-ray Absorptie (XAS) experiment mat het effect van de protonlading op de structuur van de binnenste elektronen van de enkele zuurstofatomen van het water. Zoals voorspeld door prof. Pines, werd gevonden dat drie watermoleculen het meest worden beïnvloed door de aanwezigheid van het proton, elk in een andere mate, en samen met het proton geprotoneerde 3-watermoleculenketens of "treinen" vormen.
"Iedereen heeft meer dan 200 jaar over dit probleem nagedacht, dus dat was voor mij een uitdaging die groot genoeg was om te besluiten het op te pakken. Zeventien jaar later ben ik blij dat ik de oplossing waarschijnlijk heb gevonden en gedemonstreerd", zegt prof. Pines.
De volgende editie van scheikundeboeken op de universiteit kan de beschrijving van het Grotthuss-mechanisme vervangen door het "Pines Mechanism", een idee dat Prof. en fundamentele processen in de natuur.
Andere onderzoekers zijn: Dr. Maria Ekimova, Carlo Kleine, Jan Ludwig en Dr. Erik TJ Nibbering van het Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy; Dr. Miguel Ochmann, en Prof. Dr. N. Huse van het Instituut voor Nanostructuur en Solid State Physics, Center for Free-Electron Laser Science; Thomas EG Agrenius en Prof. Dr. M. Odelius van de afdeling Natuurkunde, Universiteit van Stockholm; Eve Kozari, en Dr. Dina Pines van de afdeling Scheikunde, Ben Gurion Universiteit van de Negev; Prof. Dr. Ph. Wernet van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde, Universiteit van Uppsala.
