Otázka, jak přesně se protony pohybují vodou v elektrickém poli, fascinuje vědce po staletí. Nyní, více než 200 let po posledním vhledu do tohoto jevu, mají vědci jasno.
V roce 1806 Theodor Grottos předložil hypotézu známou jako Mechanismus jeskyně Pro „protonový skok“, o tom, jak náboj protéká roztokem vody.
Zatímco hypotéza Grottos byla na svou dobu velmi progresivní myšlení – dříve protonynebo dokonce skutečná struktura vody, byla dokonce známa – moderní badatelé již dlouho věděli, že neposkytuje úplné pochopení toho, co se stalo na molekulární úrovni.
Nejnovější poznatky na toto téma možná odhalily záhadu vyřešením elektronických struktur vlhkých protonů, které byly tak dlouho nepolapitelné.
Výsledky naznačují, že protony se pohybují vodou ve „vlacích“ tří molekul vody, s „dráhami“ postavenými před vlakem, když postupuje a táhnou nahoru, jakmile projde.
Tato smyčka může pokračovat donekonečna a pohybovat protony vodou. Zatímco myšlenka byla navržena již dříve, nová studie identifikuje odlišnou molekulární strukturu, která nejlépe odpovídá Grotthussovu navrhovanému řešení, podle autorů studie.
„Diskuse o mechanismu Grottos a povaze rozpustnosti protonu ve vodě se zintenzivnily, protože to je jedna z nejzásadnějších výzev v chemii,“ Chemik Ehud Pines říká: z Ben-Gurionovy univerzity v Negevu v Izraeli.
Nová studie je přesvědčivá, protože kombinuje teoretický přístup s fyzikálním experimentováním Umožněné nedávným technologickým pokrokem. Výzkumníci použili Rentgenová absorpční spektroskopie (XAS) ke sledování, jak protonové náboje ovlivňují elektrony v jednotlivých atomech kyslíku ve vodě.
Jak se očekávalo, účinek byl větší na tři molekuly vody, i když v různé míře na každou jednotlivou molekulu uvnitř trojbloku. Vědci našli skupiny tří molekul, které tvoří řetězce s protonem.
Výzkumníci také kombinovali chemické simulace a výpočty na kvantové úrovni, aby určili interakce mezi protony a sousedními molekulami vody, když se protony pohybovaly kapalinou.
„Pochopení tohoto mechanismu je čistá věda, která posouvá hranice našich znalostí a mění jeden z našich základních konceptů na jeden z nejdůležitějších mechanismů hromadné dopravy a lodní dopravy v přírodě,“ říká Baines.
Tento objev hraje velkou roli Jiné chemické procesyvčetně fotosyntézy, buněčného dýchání a přenosu energie ve vodíkových palivových článcích.
Nejen pozoruhodné řešení, ale také to, jak se k tomu vědci dostali – testování a ověřování teoretických předpovědí s experimentálními výsledky a naopak v dlouhém a spletitém procesu, který od začátku do konce trval téměř dvě desetiletí.
„Každý o tomto problému přemýšlel více než 200 let, takže pro mě bylo dost náročné rozhodnout se, že se tím chopím,“ říká Baines. „O sedmnáct let později jsem vděčný, že jsem pravděpodobně našel a předvedl řešení.“
Hledání bylo zveřejněno v Mezinárodní vydání Angewandte Chemie.
