经历了200年后，一个关键的物理化学之谜可能已经被解开 （组图）

几个世纪以来，质子在电场中如何在水中准确运动的问题，一直令科学家们着迷。现在，在对这一现象的最后一次重大洞察200多年后，科学家们有了一些清晰的认识。

上图：现在有了更多证据表明，质子是如何在水中运动的。

1806年，西奥多·格罗萨斯（Theodor Grotthuss）提出了一个假说，这个假说后来被称为“质子跳跃”的格罗萨斯机制，是关于电荷如何在水溶液中流动的。

虽然，格罗萨斯的假设在当时是非常超前的（在质子，甚至是水的实际结构被知道之前），但现代的研究人员早就知道，它并没有在分子水平上提供对发生的事情的完整理解。

关于这个话题的最新发现，可能已经通过解开水合质子的电子结构揭开了谜团，而水合质子的电子结构长期以来一直难以捉摸。

研究结果表明，质子在水中以三个水分子组成的“火车”的形式移动，火车前进时在前面建了“轨道”，火车经过时就会被拉起。

这个循环可以无限期地在水中运输质子。该研究的作者说，虽然这个想法以前就有人提出过，但新的研究赋予了一种不同的分子结构，更适合格罗萨斯提出的解决方案。

以色列内盖夫本-古里安大学的化学家胡德·派恩斯（Ehud Pines）说：“关于格罗萨斯机制和质子在水中溶剂化的性质的争论越来越激烈，因为这是化学中最基本的挑战之一。”

这项新研究引人注目，因为它将理论方法与物理实验相结合，而最近的技术进步使得物理实验成为可能。研究人员使用X射线吸收光谱（XAS）实验来监测质子电荷如何影响水中单个氧原子中的电子。

正如预测的那样，对三个水分子的影响最大，尽管对三聚体簇中的每个单独分子的影响程度不同。研究人员发现，三组分子与质子形成链。

研究人员还在量子水平上结合了化学模拟和计算，以确定质子在液体中移动时与相邻水分子之间的相互作用。

化学家胡德·派恩斯说：“理解这种机制是纯粹的科学，它推动了我们知识的边界，改变了我们对自然界最重要的质量和电荷传输机制之一的基本理解。”

这一发现影响了许多其他化学过程，包括光合作用、细胞呼吸和氢燃料电池的能量传输。

值得注意的不仅是解决方案，还有研究人员如何能够得到它 —— 在一个漫长而曲折的过程中，从开始到结束，测试和验证理论预测和实验结果，反之亦然。

化学家胡德·派恩斯说：“每个人都对这个问题思考了200多年，所以这对我来说是一个足够的挑战，让我决定着手解决这个问题。17年后，我很高兴，很可能已经找到并证明了解决方案。”