200 év után a fizikai kémia egyik alapvető rejtvénye megoldódhatott: a ScienceAlert

Az a kérdés, hogy a protonok milyen pontosan mozognak a vízben elektromos térben, évszázadok óta foglalkoztatja a tudósokat. Most, több mint 200 évvel a jelenség utolsó bepillantása után, a tudósok tisztában vannak vele.

1806-ban Theodor Grottos egy hipotézist terjesztett elő, amely az úgynevezett Grotto mechanizmus A „protonugráshoz” arról, hogyan áramlik át a töltés egy vízoldatban.

Míg a Grottos-hipotézis a maga idejében nagyon progresszív gondolkodásmód volt – már korábban is protonokvagy akár a víz tényleges szerkezete is ismert volt – a modern kutatók már régóta tudják, hogy ez nem adta meg a molekuláris szinten történt teljes megértését.

A témával kapcsolatos legújabb eredmények feltárhatták a rejtélyt azáltal, hogy megfejtették a nedves protonok elektronikus szerkezetét, amelyek oly sokáig megfoghatatlanok voltak.

Az eredmények azt sugallják, hogy a protonok három vízmolekulából álló „vonatokban” mozognak a vízben, miközben a vonat elé „vágányokat” építettek, amint az halad, és felfelé húzódik, ha elhaladt.

Ez a hurok a végtelenségig folytathatja a protonok vízben való mozgatását. Míg az ötletet már korábban is javasolták, az új tanulmány egy másik molekulaszerkezetet azonosít, amely a legjobban illeszkedik Grotthuss javasolt megoldásához, a tanulmány szerzői szerint.

„A Grottos-mechanizmusról és a protonok vízben való oldhatóságának természetéről szóló viták felerősödtek, mivel ez a kémia egyik legalapvetőbb kihívása” Ehud Pines vegyész azt mondja: az izraeli Negev Ben-Gurion Egyetemen.

Az új tanulmány meggyőző, mert ötvözi az elméleti megközelítést a fizikai kísérletezéssel A legújabb technológiai fejlődés tette lehetővé. A kutatók használtak Röntgen-abszorpciós spektroszkópia (XAS) annak megfigyelésére, hogy a protontöltések hogyan hatnak az egyes oxigénatomokban lévő elektronokra a vízben.

Amint az várható volt, a hatás három vízmolekulán volt nagyobb, bár minden egyes molekulán eltérő mértékben a hármas blokkon belül. A kutatók három molekulából álló csoportokat találtak, amelyek láncot alkotnak a protonnal.

A kutatók kvantumszintű kémiai szimulációkat és számításokat is kombináltak, hogy meghatározzák a protonok és a szomszédos vízmolekulák közötti kölcsönhatásokat, miközben a protonok áthaladnak a folyadékon.

„Ennek a mechanizmusnak a megértése tiszta tudomány, tudásunk határait feszegetjük, és egyik alapkoncepciónkat a természetben történő tömegszállítás és hajózás egyik legfontosabb mechanizmusára változtatjuk.” – mondja Baines.

Ennek a felfedezésnek nagy szerepe van Egyéb kémiai folyamatokbeleértve a fotoszintézist, a sejtlégzést és az energiaátvitelt a hidrogén üzemanyagcellákban.

Nemcsak a figyelemre méltó megoldás, hanem az is, hogy a kutatók hogyan jutottak el odáig – elméleti előrejelzések tesztelése és érvényesítése a kísérleti eredményekhez képest, és fordítva, egy hosszú és kanyargós folyamat során, amely az elejétől a végéig közel két évtizedig tartott.

„Mindenki gondolkodott ezen a problémán több mint 200 éve, így elég nagy kihívás volt számomra, hogy felvállaljam” – mondja Baines. – Tizenhét évvel később hálás vagyok, hogy valószínűleg megtaláltam és bemutattam a megoldást.

A keresést ben tették közzé Angewandte Chemie International Edition.