Понимание того, как они перемещаются, может помочь ученым точнее моделировать реакции в химии, биологии и материаловедении.
Уже более двух столетий известно, что вода может переносить положительный заряд за счет протонов. Однако до недавнего времени никто не наблюдал этот процесс напрямую. В новой публикации в журнале Science, исследователи из Йельского университета (США) сообщили о разработке метода, который позволяет буквально «видеть» перемещение протонов в воде.
Для эксперимента команда использовала 9-метровый масс-спектрометр — устройство, разделяющее вещества по массе. Настройка и совершенствование такого прибора заняли годы. С его помощью ученые измеряли скорость прохождения протонов через шесть молекул воды, каждая из которых несла заряд.
«Мы показываем, что происходит в крошечной молекулярной системе, где протонам негде спрятаться», — отметил старший автор исследования Марк Джонсон.
Проблема в том, что протоны чрезвычайно малы и подчиняются законам квантовой механики. Они «не задерживаются на месте», а перемещаются от одной молекулы к другой в атомном масштабе, словно в релейной системе. Чтобы отследить процесс, исследователи использовали 4-аминобензойную кислоту — органическую молекулу, способную принимать протон в двух разных точках. Эти точки различаются по цвету поглощаемого света, что позволяло «видеть» движение протонов.
Молекулы кислоты соединяли с шестью молекулами воды. Протоны могли перемещаться от одной точки к другой, словно «поехав на водном такси». При этом масс-спектрометр фиксировал каждую реакцию десять раз в секунду с помощью синхронизированных лазеров.
По словам Джонсона, эксперимент пока не фиксирует промежуточные этапы прохождения протонов, но задаёт самые строгие на данный момент параметры процесса.
«Мы можем предоставить параметры, которые дадут теоретикам четко определенную цель для их химического моделирования, которая является повсеместной, но не подвергается сомнению экспериментальными тестами», — добавил он.
Почему это важное достижение для науки?
Протоны в воде участвуют во множестве биохимических процессов — от зрения и передачи энергии до химических реакций, связанных с ракетным топливом. Понимание того, как они перемещаются, может помочь ученым точнее моделировать реакции в химии, биологии и материаловедении. Например, это может улучшить создание новых батарей, ускорить разработку лекарств и дать больше информации о поведении воды на атомном уровне.
Технология пока ограничена использованием специализированного масс-спектрометра Йельского университета, но в будущем она может быть адаптирована для широкого круга лабораторий. Исследователи подчеркивают, что открытие даёт бесценные данные для фундаментальной химии и может стать ключом к новым экспериментам в биохимии и энергетике.