200 Yıl Sonra, Fiziksel Kimya Alanında Önemli Bir Gizem Çözülmüş Olabilir

Protonların bir elektrik alanında su içinde tam olarak nasıl hareket ettiği sorusu yüzyıllardır bilim insanlarını büyülemiştir. Şimdi, fenomene ilişkin son büyük gelişmeden 200 yıldan fazla bir süre sonra, bilim insanları bir miktar daha net fikre sahipler.

1806'da Theodor Grotthuss, bir yükün bir su çözeltisinden nasıl akabileceği hakkında Grotthuss'un 'proton sıçraması' mekanizması olarak bilinen bir hipotez ortaya koydu.

Grotthuss'un hipotezi zamanına göre çok ileri görüşlü olsa da - protonlardan, hatta suyun gerçek yapısından bile önce biliniyordu - günümüz araştırmacıları uzun zamandır bunun tam olarak ne olduğuna dair tam bir anlayış sağlamadığını biliyorlardı.

Konuyla ilgili en son bulgular, uzun süredir anlaşılması zor olan hidratlı protonların elektronik yapılarını çözerek gizemi çözmüş olabilir.

Bulgular, protonların, üç su molekülünün hareket ettiğini ve sonra yukarı çekildiğini gösteriyor.

Bu döngü, protonları su yoluyla taşımak için süresiz olarak devam edebilir. Fikir daha önce önerilmiş olsa da, yeni çalışma, Grotthuss tarafından önerilen çözüme daha iyi uyan farklı bir moleküler yapı sunuyor.

İsrail'deki Ben-Gurion Üniversitesi'nden kimyager Ehud Pines, "Grotthuss mekanizması ve suda proton çözünmesinin doğası hakkındaki tartışmalar hararetle büyüdü, çünkü bu kimyadaki en temel zorluklardan biri" diyor.

Yeni çalışma zorlayıcı çünkü teorik bir yaklaşımı son teknolojik gelişmelerin mümkün kıldığı fiziksel deneylerle birleştiriyor. Araştırmacılar, proton yüklerinin suyun tek oksijen atomlarındaki elektronları nasıl etkilediğini izlemek için bir X-ışını absorpsiyon spektroskopisi (XAS) deneyi kullandılar.

Tahmin edildiği gibi, trimerik küme içindeki her bir molekül üzerinde farklı derecelerde olsa da, etki en büyük üç su molekülü üzerindeydi. Araştırmacılar, protonla zincir oluşturan üç molekülden oluşan grupları buldular.

Araştırmacılar ayrıca, protonlar sıvı içinde hareket ederken protonlar ve komşu su molekülleri arasındaki etkileşimleri belirlemek için kuantum düzeyinde kimyasal simülasyonlar ve hesaplamalar da yaptılar.

Pines, "Bu mekanizmayı anlamak, bilgimizin sınırlarını zorlamak ve doğanın en önemli kütle ve yük taşıma mekanizmalarından birine ilişkin temel anlayışlarımızdan birini değiştirmek, saf bilimdir" diyor.

Keşif, hidrojen yakıt hücrelerinde fotosentez, hücre solunumu ve enerji aktarımı dâhil olmak üzere birçok başka kimyasal süreçte rol oynuyor.

Sadece dikkate değer olan çözüm değil, aynı zamanda araştırmacıların buna nasıl ulaşabildikleridir - teorik tahminleri deneysel sonuçlara karşı test etmek ve doğrulamak ve bunun tersi, baştan sona neredeyse 20 yıl süren uzun, sarmal bir süreçtir.

Pines, "200 yıldan fazla bir süredir herkes bu sorunu düşündü, bu yüzden bu, onu ele almaya karar vermem için yeterli bir meydan okumaydı" diyor. "17 yıl sonra, büyük olasılıkla çözümü bulduğum ve gösterdiğim için mutluyum."

Araştırma Angewandte Chemie International Edition'da yayınlandı.