Международная группа ученых выяснила, как именно происходит перенос протонов — положительно заряженных частиц — в соединениях фосфорной кислоты, которые лежат в основе жизненно важных процессов в организме. Результаты могут помочь в создании более эффективных топливных элементов и объяснить фундаментальные механизмы работы клеток. Работа опубликована в журнале The Journal of Physical Chemistry A (JPCA).
Фосфорная кислота и ее производные присутствуют практически во всех биологических системах: они входят в состав ДНК и РНК, клеточных мембран и молекулы АТФ — основного «энергетического носителя» клетки. Именно эти соединения обеспечивают перенос протонов, от которого зависит обмен веществ и передача сигналов между клетками. Ученые из Института Фрица Габера Общества Макса Планка совместно с коллегами из Лейпцига и США исследовали, как именно запускается этот процесс на молекулярном уровне.
В отличие от обычного движения частиц, протоны в таких системах не перемещаются свободно, а «перепрыгивают» между молекулами по цепочке водородных связей. Этот механизм называют «протонным шаттлом».
Чтобы изучить его, исследователи сосредоточились на ключевой структуре — отрицательно заряженном димере H₃PO₄·H₂PO₄⁻. Именно он, как предполагалось, запускает перенос протонов.
Для эксперимента ученые создали эту молекулу в лаборатории и охладили почти до абсолютного нуля — до 0,37 Кельвина. В таких условиях тепловые колебания практически исчезают, что позволяет точно определить структуру вещества с помощью инфракрасной спектроскопии.
Полученные данные сопоставили с квантово-химическими расчетами. Результат оказался неожиданным: теоретические модели предсказывали существование двух равновероятных структур, однако эксперимент показал только одну устойчивую конфигурацию.
Она представляет собой жесткую систему из трех водородных связей, объединенных общим атомом кислорода. При этом внутри структуры существуют энергетические барьеры, ограничивающие движение протонов.
Полученные результаты помогают лучше понять, почему соединения фосфорной кислоты так эффективно проводят протоны — этот процесс иногда называют «протонной магистралью природы».
В перспективе это знание может использоваться для разработки новых материалов с высокой протонной проводимостью — например, для топливных элементов и аккумуляторов, а также для более глубокого понимания энергетических процессов в живых клетках.
Ранее в космосе был зафиксирован взрыв, не поддающийся объяснению с точки зрения известной физики.
