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经历了200年后，一个关键的物理化学之谜可能已经被解开


经历了200年后，一个关键的物理化学之谜可能已经被解开


几个世纪以来 ， 质子在电场中如何在水中准确运动的问题 ， 一直令科学家们着迷 。 现在 ， 在对这一现象的最后一次重大洞察200多年后 ， 科学家们有了一些清晰的认识 。

上图：现在有了更多证据表明 ， 质子是如何在水中运动的 。
1806年 ， 西奥多·格罗萨斯（Theodor Grotthuss）提出了一个假说 ， 这个假说后来被称为“质子跳跃”的格罗萨斯机制 ， 是关于电荷如何在水溶液中流动的 。
虽然 ， 格罗萨斯的假设在当时是非常超前的（在质子 ， 甚至是水的实际结构被知道之前） ， 但现代的研究人员早就知道 ， 它并没有在分子水平上提供对发生的事情的完整理解 。
关于这个话题的最新发现 ， 可能已经通过解开水合质子的电子结构揭开了谜团 ， 而水合质子的电子结构长期以来一直难以捉摸 。
研究结果表明 ， 质子在水中以三个水分子组成的“火车”的形式移动 ， 火车前进时在前面建了“轨道” ， 火车经过时就会被拉起 。
这个循环可以无限期地在水中运输质子 。 该研究的作者说 ， 虽然这个想法以前就有人提出过 ， 但新的研究赋予了一种不同的分子结构 ， 更适合格罗萨斯提出的解决方案 。
以色列内盖夫本-古里安大学的化学家胡德·派恩斯（Ehud Pines）说：“关于格罗萨斯机制和质子在水中溶剂化的性质的争论越来越激烈 ， 因为这是化学中最基本的挑战之一 。 ”
这项新研究引人注目 ， 因为它将理论方法与物理实验相结合 ， 而最近的技术进步使得物理实验成为可能 。 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 ， 对三个水分子的影响最大 ， 尽管对三聚体簇中的每个单独分子的影响程度不同 。 研究人员发现 ， 三组分子与质子形成链 。
研究人员还在量子水平上结合了化学模拟和计算 ， 以确定质子在液体中移动时与相邻水分子之间的相互作用 。
化学家胡德·派恩斯说：“理解这种机制是纯粹的科学 ， 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 。 ”
这一发现影响了许多其他化学过程 ， 包括光合作用、细胞呼吸和氢燃料电池的能量传输 。
值得注意的不仅是解决方案 ， 还有研究人员如何能够得到它 ——在一个漫长而曲折的过程中 ， 从开始到结束 ， 测试和验证理论预测和实验结果 ， 反之亦然 。
化学家胡德·派恩斯说：“每个人都对这个问题思考了200多年 ， 所以这对我来说是一个足够的挑战 ， 让我决定着手解决这个问题 。 17年后 ， 我很高兴 ， 很可能已经找到并证明了解决方案 。 ”
这项研究发表在《Angewandte Chemie国际版》上 。
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