Движение протонов через электрически заряженную воду — один из самых фундаментальных процессов в химии. Он проявляется во всём: от зрения до хранения энергии и даже в ракетном топливе — и известен учёным более 200 лет.
Но никто никогда не видел, как это происходит, и не измерял это явление на микроскопическом уровне.
Теперь лаборатория Марка Джонсона в Йеле впервые установила ориентировочные значения времени, необходимого протонам для перемещения через шесть заряженных молекул воды. Это открытие, ставшее возможным благодаря высокоспециализированному масс-спектрометру, разработка которого велась годами, может иметь далеко идущие последствия для исследователей в будущем.
«Мы показываем, что происходит в крошечной молекулярной системе, где протонам негде спрятаться», — говорит Джонсон, профессор химии Артура Т. Кемпа на факультете искусств и наук Йельского университета и старший автор нового исследования, опубликованного в журнале Science. «Мы можем предоставить параметры, которые дадут теоретикам чётко определённую цель для их химических симуляций, которые повсеместно распространены, но не были подкреплены экспериментальными данными».
Как проводилось исследование
Джонсон потратил десятилетия на разработку новых инструментов для анализа химических реакций, таких как деформация сетей взаимосвязанных молекул воды в присутствии электрического заряда — ключевое свойство воды. Но способность воды переносить положительный заряд через протоны оказалась трудноуловимой из-за квантово-механической природы протонов.
«Они недостаточно вежливы, чтобы оставаться на одном месте достаточно долго, чтобы мы могли легко их наблюдать», — сказал Джонсон. «Считается, что они проводят заряд через механизм передачи на атомном уровне, при котором протоны перескакивают от молекулы к молекуле».
Для исследования Джонсон и его команда изучили перенос протонов, который происходит, когда шесть молекул присоединены к 4-аминобензойной кислоте, несущей дополнительный протон, — небольшой положительно заряженной молекуле, идеально подходящей для изучения движения протонов через воду.
Чтобы отслеживать движение заряда, нужен особый тип органической молекулы, которая может присоединить протон в двух разных местах, легко различимых по цвету света, который они поглощают, — сказала Пейтен Харвилл, докторант химического факультета Йельской школы послевузовских исследований и соавтор исследования.
Команда Джонсона запускает эти молекулы через специальный масс-спектрометр, адаптированный для многократного взаимодействия с тщательно рассчитанными импульсами лазерного света. Расположенное в Йельской химической лаборатории устройство состоит из тщательно организованных трубопроводов, электроники, лазеров и «холодильника», который охлаждает молекулы почти до абсолютного нуля.
«Потребовалось много лет, чтобы довести прибор до такого состояния, — сказал Рана. — И мы наконец-то смогли измерить скорость химической реакции, которая происходит в конечной системе».
Даже при этом реакция настолько сложна для фиксации, что исследователи могут только установить параметры её начала и конца. «Мы не можем увидеть это в промежутке, но мы знаем, откуда протон стартовал и где он оказался, — сказал Джонсон. — И теперь мы знаем, сколько времени требуется, чтобы добраться туда».
Тиен Кхуу, выпускник лаборатории Джонсона, который сейчас является научным сотрудником Университета Южной Калифорнии, является соавтором исследования.
Предоставлено Йельским университетом.