Въпросът как точно протоните се движат през водата в електрическо поле е вълнувал учените от векове. Сега, повече от 200 години след последното голямо прозрение за феномена, учените имат известна яснота.
През 1806 г. Теодор Гротус излага хипотеза, която става известна като механизма на Гротус за „скачане на протони“, за това как заряд може да тече през воден разтвор. Въпреки че хипотезата на Гротус беше много далновидна за времето си – появила се преди дори да се знае за протоните или дори за действителната структура на водата – съвременните изследователи отдавна знаят, че тя не дава пълно разбиране на случилото се в молекулярно ниво.
Последните открития по темата може би са разгадали мистерията чрез разрешаване на електронните структури на хидратираните протони, които толкова дълго остават неуловими. Констатациите предполагат, че протоните се движат през водата във „влакове“ от три водни молекули, с „писти“, изградени пред влака, докато върви и се изтеглят нагоре, след като премине. Този цикъл може да продължи безкрайно, за да транспортира протони през водата. Въпреки че идеята е била предложена и преди, новото изследване определя различна молекулярна структура, която се вписва по-добре в решението, предложено от Гротус , според авторите на изследването.
„Дебатите относно механизма на Гротус и природата на солватацията на протони във вода се разгорещиха, тъй като това е едно от най-основните предизвикателства в химията“, казва химикът Ехуд Пайнс от университета Бен-Гурион в Негев, Израел. Новото изследване е завладяващо, защото съчетава теоретичен подход с физически експерименти, станали възможни благодарение на последните технологични постижения. Изследователите са използвали експеримент с рентгенова абсорбционна спектроскопия (XAS), за да наблюдават как протонните заряди влияят на електроните в отделните кислородни атоми на водата. Както беше предвидено, въздействието беше най-голямо върху три водни молекули, макар и в различна степен върху всяка отделна молекула в рамките на тримерния клъстер. Изследователите открили групи от три молекули, образуващи вериги с протона.
Изследователите също така включват химически симулации и изчисления на квантово ниво, за да определят взаимодействията между протоните и съседните водни молекули, докато протоните се движат през течност. „Разбирането на този механизъм е чиста наука, разширяване на границите на нашето знание и промяна на едно от нашите фундаментални разбирания за един от най-важните природни механизми за транспортиране на маса и заряд“, казва Пайнс.
Откритието играе роля в много други химически процеси, включително фотосинтеза, клетъчно дишане и транспорт на енергия във водородните горивни клетки. Забележително е не само решението, но и как изследователите успяха да стигнат до него – тестване и валидиране на теоретични прогнози спрямо експериментални резултати и обратното, в дълъг, криволичещ процес, който отне почти две десетилетия от началото до края.
„Всички мислеха за този проблем повече от 200 години, така че това беше достатъчно предизвикателство за мен, за да реша да се заема с него“, казва Пайнс. „Седемнадесет години по-късно съм доволен, че най-вероятно намерих и демонстрирах решението.“
