Autostrada dla protonów w centrum zainteresowania świata nauki
W centrum tego przełomu znajduje się szczególna cząsteczka: anionowy dimer kwasu fosforowego oznaczony jako H₃PO₄·H₂PO₄⁻. Choć wcześniej sugerowano, że może on uczestniczyć w podstawowych etapach przenoszenia protonów, jego dokładna struktura i rola w tym procesie pozostawały zagadką. Naukowcy postanowili tę tajemnicę rozwiązać, badając ten kompleks w ekstremalnie niskich temperaturach i z niespotykaną dotąd precyzją.
Czytaj też: Atomowe skręty dają efekty, jakich fizycy nie przewidzieli. Teraz poznają prawdę o materiałach magnetycznych
Badanie zostało przeprowadzone przy użyciu kriogenicznej spektroskopii w podczerwieni, czyli techniki, która chłodzi próbkę praktycznie do temperatury bliskiej zera absolutnego dzięki zanurzeniu jej w kropelkach helu. W takich warunkach ruchy termiczne są zminimalizowane, co pozwala “zamrozić” molekuły w niemal idealnych konfiguracjach i uzyskać spektroskopowe odciski ich struktur z najwyższą możliwą dokładnością. Dane eksperymentalne pochodzące z tego podejścia zostały następnie porównane z obliczeniami kwantowo-chemicznymi, które służą do przewidywania możliwych konfiguracji molekularnych.
Choć teorie sugerowały, jakoby dimer mógł występować w dwóch równoważnych formach strukturalnych, eksperyment jednoznacznie wykazał, iż w rzeczywistości istnieje tylko jedna stabilna forma. Ta konfiguracja cechuje się trzema wiązaniami wodorowymi oraz atomem tlenu pełniącym podwójną rolę przyjmującego protona. Oznacza to, że protony wchodzące w reakcję muszą pokonać stosunkowo wysokie bariery energetyczne, co nadaje strukturze nieoczekiwaną sztywność.
Jak wykorzystać to w praktyce?
Ta szczególna sieć wiązań wodorowych jest istotna, ponieważ właśnie one stanowią „trasę” po której protony przeskakują z jednej cząsteczki na drugą w procesie znanym jako proton-shuttling. Takowy jest analogiczny do mechanizmu opisanego już dawno temu w kontekście wody, znanego jako mechanizm Grotthussa. Ten, szeroko analizowany w chemii fizycznej, polega na sekwencyjnym przekazywaniu protonów wzdłuż sieci wiązań wodorowych, co umożliwia niesłychanie szybki przepływ ładunku bez konieczności przemieszczania się pojedynczych jonów na duże odległości.
Czytaj też: Odblokowali ukryte wymiary w pojedynczym fotonie. Fizycy mówią o nowej erze technologii
Dlaczego to odkrycie jest istotne? Po pierwsze, pozwala na głębsze zrozumienie molekularnych podstaw protonowej przewodności, a więc kluczowego zjawiska zarówno w biologii, jak i technologii materiałowej. Protony są nośnikami ładunku w wielu systemach żywych: od przekazywania sygnałów nerwowych, poprzez przebieg reakcji metabolicznych, aż po funkcjonowanie ATP – uniwersalnego akumulatora energii w komórkach.
Po drugie, poznanie dokładnej struktury tego anionowego dimera może pomóc w projektowaniu lepszych materiałów przewodzących protony, co ma znaczenie m.in. dla ogniw paliwowych i baterii protonowych. Badacze podkreślają również, że wyniki te stanowią ważny punkt odniesienia dla metod obliczeniowych w chemii kwantowej. Możliwe będzie bowiem lepsze dostrajanie teoretycznych modeli, co jest kluczowe w przewidywaniu zachowań podobnych układów w bardziej złożonych środowiskach.