化学界有200年历史的谜团：质子如何通过水？

几个世纪以来，有个问题始终困扰着科学家：质子在电场中如何精确地穿过水。现在，距上一次对这一现象给出重要理论解释200多年后，科学家们对此有了一些更清晰的认识。

1806 年，Theodor Grotthuss 提出了一个假说——后来被称为“质子跳跃”的 Grotthuss 机制。

虽然Grotthuss的假说非常具有前瞻性——当时人们甚至还不知道质子和水的实际结构——现代研究人员早已清楚，Grotthuss假说并不完善。

最新发现可能通过澄清长期以来难以捉摸的水合质子的电子结构来解开谜团。

研究结果表明，质子搭乘3个水分子组成的“火车”在水中移动，在火车行驶时水分子会在前面建造“轨道”。

这个过程可以无限地在水中传输质子。据作者称，虽然这个思想曾有人提出过，但新研究提出了一种不同的分子结构，更适合Grotthuss机制。

以色列内盖夫本古里安大学的化学家 Ehud Pines 说：“关于Grotthuss机制和水中质子溶剂化性质的争论越来越激烈，因为这是化学中最基本的问题之一。”

这项新研究之所以引人注目，是因为它将理论方法与前沿技术所带来的物理实验技术的进步相结合。研究人员使用 X 射线吸收光谱 (XAS) 实验来监测质子电荷如何影响水中单个氧原子中的电子。

正如预测的那样，对3分子的组合影响最大，尽管对三聚体簇内的每个单独分子的影响程度不同。研究人员发现三个分子组与质子形成链。

研究人员还结合了量子水平的化学模拟和计算，以确定当质子在液体中移动时质子与相邻水分子之间的相互作用。

“发现这种机制是纯粹的科学探索，它推动了我们知识的边界，改变了我们对自然界最重要的质量和电荷传输机制之一的基本理解。”

这一发现涉及许多其他化学过程，包括氢燃料电池中的光合作用、细胞呼吸和能量传输。

值得注意的不仅是解决方案，还有科学发现的过程——根据实验结果测试和验证理论，这是一个漫长而曲折的过程，从开始到结束花费了近 20 年。

“这个问题存在了超过200年，所以这对我来说是一个足够大的挑战，我决定接下它。”Pines 说。“17年后，我很高兴很可能已经找到并证明了新的物质定律。”

该研究已发表在 Angewandte Chemie 国际版上。