Pitanje kako se tačno protoni kreću kroz vodu u električnom polju fasciniralo je naučnike vekovima. Sada, više od 200 godina nakon poslednjeg velikog uvida u ovaj fenomen, naučnici imaju izvesnu jasnoću.
Teodor Grothuss je 1806. izneo hipotezu, koja je postala poznata kao Grothusov mehanizam za ‘skakanje protona’, o tome kako naelektrisanje može teći kroz rastvor vode.
Dok je Grothusova hipoteza bila veoma napredna za svoje vreme – dolaskom pre nego što su protoni, ili čak stvarna struktura vode, uopšte bili poznati – savremeni istraživači odavno znaju da nije pružila potpuno razumevanje onoga što se dogodilo u molekularnom nivou.
Najnovija otkrića o ovoj temi su možda otkrila misteriju rešavanjem elektronskih struktura hidratisanih protona koji su tako dugo ostali neuhvatljivi.
Nalazi sugerišu da se protoni kreću kroz vodu u „vozovima“ od tri molekula vode, sa „trakama“ izgrađenim ispred voza dok ide i povlače se kada prođe.
Ova petlja može da traje beskonačno da bi transportovala protone kroz vodu. Iako je ideja ranije predložena, nova studija dodeljuje drugačiju molekularnu strukturu koja se bolje uklapa u rešenje koje je predložio Grothuss, prema autorima studije.
„Debate o Grothusovom mehanizmu i prirodi solvatacije protona u vodi su se zahuktale, jer je ovo jedan od najosnovnijih izazova u hemiji“, kaže hemičar Ehud Pines sa Univerziteta Ben-Gurion u Negevu u Izraelu.
Nova studija je ubedljiva jer kombinuje teorijski pristup sa fizičkim eksperimentisanjem koje je omogućilo nedavna tehnološka dostignuća. Istraživači su koristili eksperiment rendgenske apsorpcione spektroskopije (KSAS) da prate kako naelektrisanja protona utiču na elektrone u pojedinačnim atomima kiseonika u vodi.
Kao što je predviđeno, uticaj je bio najveći na tri molekula vode, ali u različitoj meri na svaki pojedinačni molekul unutar trimernog klastera. Istraživači su pronašli grupe od tri molekula koje formiraju lance sa protonom.
Istraživači su takođe uključili hemijske simulacije i proračune na kvantnom nivou kako bi odredili interakcije između protona i susednih molekula vode dok se protoni kreću kroz tečnost.
„Razumevanje ovog mehanizma je čista nauka, pomeranje granica našeg znanja i menjanje jednog od naših fundamentalnih shvatanja jednog od najvažnijih mehanizama za transport mase i naelektrisanja u prirodi“, kaže Pines.
Ovo otkriće utiče na mnoge druge hemijske procese, uključujući fotosintezu, ćelijsko disanje i transport energije u vodoničnim gorivnim ćelijama.
Nije samo rešenje ono što je primetno, već i način na koji su istraživači uspeli da dođu do njega – testiranje i potvrđivanje teorijskih predviđanja u odnosu na eksperimentalne rezultate, i obrnuto, u dugom, krivudavom procesu koji je od početka do kraja trajao skoro dve decenije.
„Svi su razmišljali o ovom problemu više od 200 godina, tako da je to bio dovoljan izazov za mene da odlučim da ga prihvatim“, kaže Pines. „Sedamnaest godina kasnije, zadovoljan sam što sam najverovatnije pronašao i pokazao rešenje.
