Протоны в воде обычно описываются с помощью двух ограничивающих структур. В комплексе Eigen (H9O4 +) (слева), протон – часть центрального H3O + ион, окруженный тремя молекулами воды. В катионе Zundel (H5O2 +) (справа), протон формирует сильные водородные связи с двумя фланговыми молекулами воды. Описание на молекулярном уровне использует поверхность потенциальной энергии протона, который заметно отличается для двух ограничивающих конфигураций.
Каждый ожидает anharmonic одно-минимальный потенциал для разновидностей Eigen и двойной минимальный потенциал для разновидностей Zundel. В жидкой воде такие потенциалы очень динамичные по своей природе и подвергаются очень быстрым колебаниям из-за тепловых движений окружения молекул воды и протона.Исследователи от Института Макса Борна в Берлине, Германия и Университете Бен-Гуриона Негева в Пиве-Sheva, Израиль, теперь объяснили сверхбыстрые движения и структурные особенности протонов в воде под внешними условиями.
Они сообщают об экспериментальных и теоретических результатах в Науке, которые идентифицируют катион Zundel как преобладающую разновидность в жидкой воде. Фемтосекунда (1 фс = 10-15 с) динамика протонных движений была нанесена на карту через вибрационные переходы между протонными квантовыми состояниями.
Сложный метод двумерной вибрационной спектроскопии обеспечивает желто-красные и синие контуры, которые отмечают энергетический диапазон, покрытый этими двумя переходами. Синий контур происходит на более высоких частотах обнаружения, чем красный, давая сначала прямые свидетельские показания для двойного минимального характера протонного потенциала в родной водной окружающей среде.
Напротив, синий контур, как ожидают, появится на меньших частотах обнаружения, чем красная.Ориентация двух контуров, параллельных вертикальной оси частоты, демонстрирует, что два вибрационных перехода исследуют огромный частотный диапазон меньше 100 фс, признака сверхбыстрых модуляций формы протонного потенциала. Другими словами, протон исследует все местоположения между этими двумя молекулами воды меньше 100 фс и очень быстро теряет память о том, где это было прежде.
Модуляция протонного потенциала вызвана сильным электрическим полем, наложенным молекулами воды в окружающей среде. Их быстрое тепловое движение приводит к сильным полевым колебаниям и, таким образом, модуляции потенциальной энергии на временных рамках под100 фс. Эта картина поддержана эталонными экспериментами с катионами Zundel, выборочно подготовленными в другом растворителе и подробными теоретическими моделированиями протонной динамики.Определенный катион Zundel в воде преобразовывает в новый протон любезные конфигурации ломкой и преобразованием водородных связей.
Такие процессы намного медленнее, чем колеблющееся протонное движение и происходят на временных рамках нескольких пикосекунд. Эта новая картина протонной динамики очень важна для протонного транспорта печально известным механизмом фон Гроттусса, и для протонных механизмов перемещения в биологических системах.