Die Protonenautobahn der Natur entschlüsseln

Phosphorsäure ist sowohl in biologischen Systemen als auch in Brennstoffzellen ein entscheidender Faktor für zahlreiche chemische Abläufe. Sie kann Ladungen besonders effektiv leiten. Wissenschaftler der Abteilung Molekülphysik am Fritz-Haber-Institut haben nun die physikalischen Hintergründe dieser außergewöhnlichen Moleküleigenschaft genauer entschlüsselt und neue Einblicke in ihre Funktionsweise gewonnen.

Wie kleine elektrische Signale unser Leben kontrollieren

In jedem Augenblick steuert die Bewegung tausender Ladungen essenzielle Lebensvorgänge wie die Signalübertragung, Energieumwandlung und Stoffwechselprozesse in unserem Körper. Diese präzise regulierte Dynamik über biologische Membranen hinweg fungiert als zentraler Kontrollmechanismus. Eine Schlüsselrolle nimmt dabei die Phosphorsäure (H₃PO₄​) ein. Sie ist als Bestandteil von DNA, RNA und dem Energieträger ATP in der Natur allgegenwärtig und hat sich als besonders effizient für den Transport positiver Ladungen erwiesen. Aufgrund dieser hohen Protonenleitfähigkeit ist sie zudem technisch unverzichtbar für moderne Batterien und Brennstoffzellen.

Der Ladungstransfer erfolgt dabei über das „Protonen-Shuttling“. Protonen springen wie Passagiere von Molekül zu Molekül und nutzen Wasserstoffbrücken als schnelle Transportwege. Trotz der Bekanntheit dieses Mechanismus sind viele Details der ersten elementaren Schritte noch ungeklärt. In einer aktuellen Studie haben Forschende der Abteilung Molekülphysik am Fritz-Haber-Institut nun gemeinsam mit Partnern aus Leipzig und den USA die Struktur eines entscheidenden Phosphorsäure-Anionkomplexes entschlüsselt: Damit wollen Sie Licht in die fundamentalen Prozesse dieses faszinierenden Ladungstransfers zu bringen.

Ein kalter Blick auf heiße Chemie mit kryogener Spektroskopie

Frühere Studien identifizierten das deprotonierte Dimer (H₃PO₄​⋅H₂​PO₄⁻​) als maßgeblichen Ausgangspunkt der Protonen-Shuttling-Kaskade. Um die Rolle dieser negativ geladenen Phosphorsäureverbindung exakt zu entschlüsseln, stellten Forschende das Molekül im Labor her und untersuchten es unter kryogenen Bedingungen. Dabei wurde das Dimer in einem Helium-Nanotröpfchen auf lediglich 0,37 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Diese extreme Kühlung eliminiert störende Faktoren fast vollständig und erlaubt mittels Infrarotstrahlung eine hochpräzise Auflösung der Molekülstruktur. Unterstützt wurde die experimentelle Analyse durch quantenchemische Berechnungen: Diese ermöglichten eine genaue Vorhersage über die Struktur und das Verhalten des Moleküls .

Ein unsichtbares Netzwerk aus Wasserstoffbrückenbindungen aufgedeckt

Interessanterweise wichen die experimentellen Ergebnisse von den theoretischen Vorhersagen ab. Während die Berechnungen zwei potenziell gleich wahrscheinliche Strukturen nahelegten, offenbarten die Messungen, dass das deprotonierte Dimer der Phosphorsäure tatsächlich nur eine einzige, stabile Form annimmt. Diese zeichnet sich durch eine relative Starrheit sowie hohe Barrieren für den Protonentransfer aus. Gleichzeitig wird sie durch ein Netzwerk von drei Wasserstoffbrückenbindungen mit einem gemeinsamen Akzeptor-Sauerstoffatom stabilisiert. Ähnliche Bindungsmotive wurden bereits in anderen phosphorsäurehaltigen Clustern beobachtet. Das deutet auf ein für diese Systeme typisches Muster hin. Letztlich verdeutlichen diese Erkenntnisse die Grenzen rein theoretischer Modelle und unterstreichen, wie essenziell Laborexperimente für die präzise Strukturbestimmung von Biomolekülen sind.

Warum diese Forschungsergebnisse wichtig sind

Diese Forschungsarbeit liefert wertvolle Einblicke in den molekularen Ursprung der außergewöhnlichen Protonenleitfähigkeit von Phosphorsäure, die oft als „Protonenautobahn der Natur“ bezeichnet wird. Die Analyse identifizierte eine spezifische Struktur des wichtigen anionischen Dimers H₃PO₄​⋅H₂​PO₄⁻​​. Sein charakteristisches Netz aus Wasserstoffbrücken könnte eine entscheidende Rolle für den Protonentransport in phosphorsäurebasierten Systemen spielen. Damit dient die Studie als neuer Maßstab für quantenchemische Methoden zur Modellierung phosphathaltiger Cluster. Die gewonnenen Erkenntnisse erweitern nicht nur das Verständnis des biologischen Protonentransfers, sondern eröffnen auch neue Perspektiven für die Entwicklung hocheffizienter, protonenleitender Materialien.

Quelle

Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (02/2026)