Протоны в воде обычно описывают с помощью двух предельных структур. В комплексе Эйгена (H9O4 +) (слева) протон является частью центрального иона H3O +, окруженного тремя молекулами воды. В катионе Цунделя (H5O2 +) (справа) протон образует прочные водородные связи с двумя фланкирующими молекулами воды.
Описание на молекулярном уровне использует поверхность потенциальной энергии протона, которая заметно различается для двух предельных геометрий. Ожидается наличие ангармонического потенциала с одним минимумом для разновидностей Eigen и потенциала двойного минимума для разновидностей Zundel. В жидкой воде такие потенциалы очень динамичны по своей природе и претерпевают очень быстрые колебания из-за тепловых движений окружающих молекул воды и протона.Исследователи из Института Макса Борна в Берлине, Германия, и Университета Бен-Гуриона в Негеве в Беэр-Шеве, Израиль, теперь выяснили сверхбыстрые движения и структурные характеристики протонов в воде в условиях окружающей среды.
Они сообщают в журнале Science об экспериментальных и теоретических результатах, которые определяют катион Цунделя как преобладающую разновидность в жидкой воде. Фемтосекундная (1 фс = 10-15 с) динамика движений протонов отображалась через колебательные переходы между квантовыми состояниями протона.
Сложный метод двумерной колебательной спектроскопии позволяет получить желто-красный и синий контуры, которые отмечают энергетический диапазон, охватываемый двумя переходами. Синий контур появляется на более высоких частотах обнаружения, чем красный, что дает первое прямое свидетельство двойного минимума протонного потенциала в природной водной среде. Напротив, ожидается, что синий контур будет появляться при меньших частотах обнаружения, чем красный.
Ориентация двух контуров, параллельных вертикальной оси частот, демонстрирует, что два колебательных перехода исследуют огромный частотный диапазон в пределах менее 100 фс, что является признаком сверхбыстрой модуляции формы протонного потенциала. Другими словами, протон исследует все места между двумя молекулами воды в пределах менее 100 фс и очень быстро теряет память о том, где он был раньше.
Модуляция протонного потенциала вызвана сильным электрическим полем, создаваемым молекулами воды в окружающей среде. Их быстрое тепловое движение приводит к сильным флуктуациям поля и, следовательно, к модуляциям потенциальной энергии в масштабе времени менее 100 фс. Эта картина подтверждается эталонными экспериментами с катионами Цунделя, селективно приготовленными в другом растворителе, и подробным теоретическим моделированием динамики протонов.Определенный катион Цунделя в воде превращается в новую геометрию аккомодации протона путем разрыва и реформирования водородных связей.
Такие процессы намного медленнее, чем движение дизеринга протона, и происходят в масштабе времени в несколько пикосекунд. Эта новая картина динамики протонов очень важна для транспорта протонов по печально известному механизму фон Гроттуса и для механизмов транслокации протонов в биологических системах.