Исследователи Йельского университета впервые точно измерили, сколько времени требуется протонам для движения через молекулы воды, добившись прорыва, который предоставляет ключевые экспериментальные параметры для понимания одного из самых фундаментальных процессов в химии.
Лаборатория Марка Джонсона использовала специально модифицированный масс-спектрометр длиной 30 футов для определения характеристики переноса протона через кластер из шести молекул воды, прикрепленных к 4-аминобензойной кислоте. Это открытие было опубликовано в журнале Science в этом месяце.
Революционный метод измерения
Команда Джонсона преодолела значительные технические трудности, чтобы наблюдать движение протонов, которое озадачивало учёных более 200 лет, несмотря на его очевидность в биологических процессах — от зрения до накопления энергии. Исследователи разработали специализированное оборудование, охлаждающее молекулы почти до абсолютного нуля с помощью тщательно организованных трубопроводов, электроники, лазеров и молекулярного "холодильника".
«Мы показываем, что происходит в крошечной молекулярной системе, где протонам негде спрятаться», — сказал Джонсон, профессор химии имени Артура Т. Кемпа в факультете искусств и наук Йельского университета. Эта система способна анализировать молекулярные реакции десять раз в секунду, однако исследователи могут измерять только начальные и конечные точки переноса протона, а не промежуточные этапы.
Для достижения этого прорыва потребовалось использовать 4-аминобензойную кислоту в качестве молекулярного зонда, поскольку у неё есть два различных протонированных участка, поглощающих свет разных цветов, что позволяет исследователям отслеживать движение протонов между этими локациями. Аспиранты Пэйтен Харвилл и Абхиджит Рана, которые совместно возглавили исследование, объяснили, что протоны могут перемещаться между этими участками только «поездкой на такси по водной сети».
Последствия для химической теории
Измерения впервые предоставили экспериментальные ориентиры для теоретического моделирования переноса протонов в воде, затрагивая то, что Джонсон называет "ubiquitous but unchallenged computational models" вычислительными моделями. Предыдущие исследования лаборатории Джонсона и международных коллег позволили запечатлеть спектроскопические моменты релейного механизма переноса протонов в воде, однако измерения времени оставались недоступными.
Квантово-механическая природа протонов делает их особенно трудными для изучения. «Они недостаточно воспитанны, чтобы оставаться на одном месте достаточно долго, чтобы мы могли их наблюдать», — отметил Джонсон, объясняя, что протоны проводят заряд через атомарный релейный механизм, перепрыгивая от молекулы к молекуле.
Исследование, финансируемое Министерством энергетики США, Управлением научных исследований Военно-воздушных сил и Национальными институтами здравоохранения, основывается на многолетней работе Джонсона по разработке инструментов для анализа химических реакций в водных сетях. Соавтор Тхиен Кху, ныне постдокторант в Университете Южной Калифорнии, внес вклад в исследование.
Этот фундаментальный прорыв может иметь далеко идущие применения в таких областях, как топливные элементы, биологические системы и технологии хранения энергии, где перенос протонов играет ключевую роль.
Комментариев нет:
Отправить комментарий