Ученые впервые наблюдали «прыжки» протонов в воде

Ученые из Йельского университета впервые смогли напрямую измерить, сколько времени требуется протонам, чтобы перемещаться через крошечный кластер заряженной воды. Это фундаментальный процесс, лежащий в основе самых разных явлений — от зрения до работы батарей и реактивного топлива. Работа опубликована в журнале Science.

Открытие сделала группа профессора химии Марка Джонсона, использовав уникальный масс-спектрометр, над совершенствованием которого лаборатория работала долгие годы.

«Мы показали, что происходит в крошечной молекулярной системе, где протонам негде спрятаться, — отметил Джонсон. — Теперь у теоретиков есть четкая экспериментальная точка отсчета для моделирования химических процессов, которое раньше оставалось неподтвержденным».

Чтобы наблюдать движение протонов, исследователи использовали органическую молекулу 4-аминобензойной кислоты, к которой присоединены шесть молекул воды и лишний протон. Такая система позволяет отследить «прыжки» протонов с одной точки на другую исключительно через водородную сеть — своего рода «такси» для заряда.

Эксперименты проводились на массивном 30-метровом масс-спектрометре, где молекулы охлаждаются почти до абсолютного нуля и подвергаются серии лазерных импульсов. В результате удалось установить временные рамки реакции: хотя промежуточные стадии остаются невидимыми, ученые точно определили, где протон стартует и где оказывается в конце.

«Нам удалось зафиксировать скорость химической реакции в конечной системе — то, что раньше считалось практически невозможным», — добавил соавтор исследования, аспирант Абхиджит Рана.

По словам авторов, новые данные помогут понять ключевые свойства воды и уточнить модели протонной проводимости, что имеет значение для разработки источников энергии, биологических исследований и будущих технологий.