Въпросът как точно протоните се движат през вода в електрическо поле вълнува учените от векове наред. Сега, близо 200 години, след като през 1806 г. Теодор Гротус създава хипотезата, известна като механизма на Гротус, за начина, по който заряд се придвижва през воден разтвор, вече разполагаме с повече яснота за този феномен.
Макар и за времето си тази хипотеза да е особено напредничава (тя се появява в момент, в който все още не знаем за съществуването нито на протоните, нито пък сме запознати с реалната структура на водата), съвременните изследователи са наясно с факта, че тя не предоставя пълна картина на случващото се на молекулярно ниво.
Най-новите открития, изглежда, разплитат тази мистерия, като разгадават електронната структура на неуловимите хидратирани протони. Те показват, че протоните се движат през водата под формата на „влакове“ с три водни молекули и по „релси“, построени пред самия с помощта на тези, по които вече е преминал.
Този цикъл на пренасяне на протони през водата може да продължава до безкрайност. Въпреки че тази идея е предлагана и по-рано, новото изследване говори за различна молекулярна структура, която пасва по-добре на решението, предложено от Гротус, казват неговите автори.
„Дебатите относно механизма на Гротус и естеството на преминаване на протони през вода се разгорещиха и това е едно от най-основните предизвикателства в сферата на химията“, казва проф. Ехуд Пайнс от университета Бен-Гурион в Негев, Израел.
Новото изследване е изключително интересно, тъй като съчетава в себе си теоретичен подход с реален експеримент, осъществен благодарение на напредъка в сферата на технологиите. Изследователите използват специален тип рентгенова спектроскопия (XAS), за да наблюдават как протоните влияят на електроните във водните молекули, съдържащи един атом кислород.
Както и очакват, учените установяват, че ефектът е най-голям върху три водни молекули, макар и всяка една от тези молекули в тримерния куп да е засегната по различен начин. Също така става ясно, че групите от три молекули образуват вериги с протона.
Изследователите използват и химични симулации и изчисления на квантово ниво, за да определят взаимодействията между протоните и съседните водни молекули, докато протоните се движат през течността.
„Разбирането на този механизъм представлява чиста наука, разширява границите на съзнанието ни и променя едно от основните ни разбирания за един от най-важните природни механизми за пренасяне на маса и заряд“, казва Пайнс.
Откритието е важно и за много други химични процеси, включително фотосинтеза, клетъчно дишане и транспорт на енергия във водородни горивни клетки.
Освен това в случая е важно както самото решението на проблема, така и начинът, по който изследователите достигат до него – те тестват и потвърждават теоретични прогнози с помощта на експериментални резултати и обратното в рамките на един дълъг и тежък процес, който продължава близо две десетилетия.
„Всички мислеха по този проблем повече от 200 години, така че това беше достатъчно голямо предизвикателство за мен, за да реша да се захвана с него“, казва Пайнс. „17 години по-късно съм доволен, че по всяка вероятност намерих и демонстрирах решението.“
Изследването е публикувано в Angewandte Chemie International Edition.
Източник: Science Alert
