Фосфорная кислота и её соединения являются фундаментальными компонентами жизни, входя в состав ДНК, РНК и энергетической "валюты" клетки — АТФ. Их уникальная способность эффективно проводить положительно заряженные частицы, протоны, критически важна для всех биологических процессов, от передачи сигналов между клетками до производства энергии. Эта же особенность делает фосфаты ценными и для технологий, таких как топливные элементы. Учёные давно называют эту систему "протонной магистралью" природы, но её точное молекулярное устройство оставалось загадкой. Важно отметить, что в живых клетках, помимо фосфатов, в переносе протонов участвуют и другие биологические молекулы, такие как хиноны (например, убихинон в митохондриальной дыхательной цепи), железосерные кластеры, цитохромы и специфические аминокислоты, которые играют ключевую роль в электрон-транспортных цепях и создании протонного градиента.
Протоны в фосфатных материалах движутся не как свободные частицы, а совершают быстрые "прыжки" от одной молекулы к другой по цепочкам водородных связей — процесс, известный как "протонное челночное движение". Чтобы понять, как именно начинается этот перенос, международная группа исследователей из Института Фрица Хабера, Лейпцига и США сосредоточилась на изучении ключевой молекулярной "станции" этого процесса — депротонированного димера фосфорной кислоты (H3PO4·H2PO4-).
Для предельно точного анализа учёные создали эту молекулу в лаборатории и изолировали её внутри сверххолодной гелиевой нанокапли, охладив до температуры, лишь на 0,37 градуса превышающей абсолютный ноль. В таких условиях тепловые помехи практически отсутствуют. Использование сверххолодных гелиевых нанокапель, действующих как "мягкие ловушки", позволяет иммобилизировать молекулы и минимизировать тепловые колебания, что делает этот метод незаменимым для высокоточного анализа структуры и динамики. Подобные методики также находят применение в физике низких температур для изучения квантовых эффектов, в химии для исследования кластеров и реакций при сверхнизких температурах, а также в материаловедении. Используя инфракрасную спектроскопию в сочетании с квантово-химическими расчётами, они смогли определить точную структуру молекулы с беспрецедентной детализацией.
Результат оказался неожиданным. Теоретические модели предсказывали, что молекула может стабильно существовать в двух различных конфигурациях. Однако эксперимент чётко показал наличие лишь одной устойчивой структуры. Она оказалась относительно жёсткой, с тремя водородными связями, сходящимися на общем атоме кислорода, что создаёт высокие энергетические барьеры для перемещения протона внутри самого димера.
Это открытие имеет фундаментальное значение. Оно не только даёт конкретное представление о ранних шагах переноса протона в фосфатах, но и показывает, что даже передовые теоретические модели могут упускать ключевые детали, делая экспериментальную проверку незаменимой. Полученные данные послужат эталоном для улучшения расчётов и могут помочь в разработке новых материалов с управляемой протонной проводимостью для чистой энергетики, углубляя одновременно наше понимание базовых механизмов жизни.
Источник: Scientists just uncovered the secret behind nature’s “proton highway”