thumbnail - Bí ẩn 200 năm lịch sử của ngành hóa học: Làm thế nào proton đi qua nước?
Kim Ánh Vu
Hà Nội

Bí ẩn 200 năm lịch sử của ngành hóa học: Làm thế nào proton đi qua nước?

Trong nhiều thế kỷ qua, đã có một vấn đề đã làm đau đầu các nhà khoa học: làm thế nào proton có thể đi qua nước một cách chính xác trong điện trường. Bây giờ, hơn 200 năm sau khi giải thích lý thuyết quan trọng về hiện tượng này, cuối cùng các nhà khoa học đã có một sự hiểu biết rõ ràng hơn về nó.

Năm 1806, nhà khoa học Đức Theodor Grotthuss đưa ra một giả thuyết - cơ chế Grotthuss sau này được gọi là "Bước nhảy proton".

Mặc dù giả thuyết của Grotthuss rất hướng tới tương lai - khi mọi người thậm chí không biết cấu trúc thực tế của proton và nước - các nhà nghiên cứu hiện đại từ lâu đã biết rằng giả thuyết Grotthuss là không hoàn hảo nhưng chưa chứng minh được nó.

Bí ẩn 200 năm lịch sử của ngành hóa học: Làm thế nào proton đi qua nước? 

Giáo sư Pines (áo kẻ) và nhóm nghiên cứu

Cho đến những phát hiện mới nhất gần đây mới có thể giải quyết những bí ẩn bằng cách làm rõ cấu trúc điện tử của proton hydrat từ lâu đã khó nắm bắt. Nghiên cứu của các nhà khoa học Israel cho thấy proton di chuyển trong nước bằng "xe lửa" gồm 3 phân tử nước và xây dựng "đường ray" ở phía trước khi tàu chạy.

Quá trình này có thể truyền proton vô hạn trong nước. Theo giáo sư Ehud Pines, khoa Hóa học, Đại học Ben Gurion of Negev (Israel) mặc dù ý tưởng này đã được đề xuất, nghiên cứu mới đã đề xuất một cấu trúc phân tử khác, phù hợp hơn với cơ chế Grotthuss.

"Các cuộc tranh luận về cơ chế Grotthuss và tính chất dung môi proton trong nước đang trở nên khốc liệt hơn vì đây là một trong những vấn đề cơ bản nhất trong hóa học”, giáo sư Pines nói.

“Hiểu được tác động qua lại cơ học giữa các dạng solvat hóa và tính linh động cao của proton trong nước là một trong những câu hỏi lâu dài và đòi hỏi khắt khe nhất trong hóa học dung dịch. Việc giải quyết câu hỏi này là điều tối quan trọng đối với nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau, từ hóa học đến sinh học", Giáo sư Pines nói. "Cách tiếp cận của chúng tôi cung cấp một lộ trình để đạt được mô tả cơ học thỏa đáng cho sự khuếch tán cấu trúc của proton trong nước. Nó dựa trên cấu trúc lai độc đáo và đặc tính của H7 + O3 không đối xứng, phức hợp của ba phân tử nước với một proton, được tiết lộ bằng lý thuyết tích hợp tỉ mỉ với các phương pháp thực nghiệm khác nhau".

Nghiên cứu mới là đáng chú ý bởi vì nó kết hợp các phương pháp lý thuyết với những tiến bộ trong công nghệ thực nghiệm vật lý được cung cấp bởi công nghệ tiên tiến. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các thí nghiệm quang phổ hấp thụ tia X (XAS) để theo dõi cách điện tích proton ảnh hưởng đến các electron trong các nguyên tử oxy duy nhất trong nước.

Như dự đoán, sự kết hợp của 3 phân tử có tác động lớn nhất, mặc dù có mức độ ảnh hưởng khác nhau đến mỗi phân tử riêng lẻ trong cụm tri tụ. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng ba nhóm phân tử tạo thành một chuỗi với proton.

Các nhà nghiên cứu cũng kết hợp các mô phỏng hóa học và tính toán ở mức lượng tử để xác định sự tương tác giữa proton và các phân tử nước lân cận khi proton di chuyển trong chất lỏng.

"Khám phá ra rằng cơ chế này là một thăm dò khoa học thuần túy, thúc đẩy ranh giới kiến thức của chúng tôi và thay đổi sự hiểu biết cơ bản của chúng tôi về một trong những cơ chế truyền chất lượng và điện tích quan trọng nhất của thiên nhiên".

Phát hiện này liên quan đến nhiều quá trình hóa học khác, bao gồm quang hợp trong các tế bào nhiên liệu hydro, hô hấp tế bào và truyền năng lượng.

Điều đáng chú ý không chỉ là các giải pháp, mà còn là quá trình khám phá khoa học - một quá trình dài và quanh co, mất gần 20 năm từ đầu đến cuối, dựa trên lý thuyết thử nghiệm và xác minh kết quả thử nghiệm.

"Vấn đề này đã tồn tại trong hơn 200 năm, vì vậy đó là một thách thức đủ lớn đối với tôi và tôi quyết định nhận nó", giáo sư Pines nói. "Sau 17 năm, tôi rất vui vì rất có thể đã tìm thấy và chứng minh các định luật vật chất mới".

Nghiên cứu đã được công bố trên Angewandte Chemie International.

>> Trạng thái thứ 5 và thứ 6 của vật chất là gì?

Chủ đề liên quan

Chủ đề khác