Ιστορική στιγμή: Οι επιστήμονες «είδαν» για πρώτη φορά πρωτόνιο να ταξιδεύει στο νερό

Μετά από δύο αιώνες θεωρητικών γνώσεων και πειραματικών προσπαθειών, οι επιστήμονες κατάφεραν να παρατηρήσουν απευθείας τη μετακίνηση ενός πρωτονίου μέσα στο νερό. Η ανακάλυψη αυτή, που δημοσιεύτηκε στις 11 Σεπτεμβρίου στο περιοδικό Science, ανοίγει ένα νέο κεφάλαιο στην κατανόηση των βασικών χημικών διεργασιών, που μέχρι σήμερα ήταν κυρίως θεωρητικές.

Η ομάδα ερευνητών του Yale χρησιμοποίησε έναν εξειδικευμένο φασματογράφο μάζας μήκους 10m, προσαρμοσμένο ώστε να επιτρέπει πολλαπλές αλληλεπιδράσεις με παλμούς laser χρονισμένους με ακρίβεια. Το όργανο αυτό επέτρεψε στους επιστήμονες να παρακολουθήσουν τη διαδρομή ενός πρωτονίου μέσα από έξι φορτισμένα μόρια νερού και να μετρήσουν με ακρίβεια την ταχύτητα της μετακίνησής του.

«Αποκαλύπτουμε τι συμβαίνει σε ένα μικροσκοπικό μοριακό σύστημα όπου δεν υπάρχει χώρος για τα πρωτόνια να κρυφτούν», δήλωσε ο Mark Johnson, επικεφαλής της μελέτης και χημικός στο Yale. Η παρατήρηση αυτή, αν και μπορεί να φαίνεται προφανής για τους μη ειδικούς, αποτελούσε ένα μυστήριο για τη βασική επιστήμη εδώ και δύο αιώνες.

Η παρατήρηση των πρωτονίων στο νερό δεν είναι θεωρητική πολυτέλεια, καθώς τα πρωτόνια συμμετέχουν σε διαδικασίες που επηρεάζουν τα πάντα, από την όραση και την αποθήκευση ενέργειας μέχρι τα καύσιμα πυραύλων, όπως εξηγούν οι ερευνητές. Ωστόσο, η παρακολούθησή τους ήταν έως τώρα εξαιρετικά δύσκολη, λόγω του εξαιρετικά μικρού τους μεγέθους και των ιδιοτήτων τους που υπακούουν στους κανόνες της κβαντικής μηχανικής.

Τα πρωτόνια «δεν παραμένουν ήσυχα» σε ένα σημείο αρκετά για να τα παρατηρήσουμε εύκολα, εξηγεί ο Johnson. Θεωρείται ότι μεταφέρουν το φορτίο μέσω ενός μηχανισμού τύπου ρελέ σε ατομική κλίμακα, πηδώντας από μόριο σε μόριο. Για να παρατηρήσουν αυτή τη διαδικασία, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν 4-αμινοβενζοϊκό οξύ, ένα οργανικό μόριο που μπορεί να δεχθεί ένα επιπλέον πρωτόνιο σε δύο διαφορετικές θέσεις. Οι δύο θέσεις μπορούν να διακριθούν από το χρώμα του φωτός που απορροφούν, εξηγεί η συν-επικεφαλής της μελέτης Payten Harville, μεταδιδακτορική στο Yale.

Στο πείραμα, τα μόρια 4-αμινοβενζοϊκού οξέος συνδέθηκαν με τα έξι μόρια νερού, δημιουργώντας ένα σύστημα όπου τα πρωτόνια μπορούν να μετακινηθούν από τη μία θέση στην άλλη μόνο «παραβαίνοντας» πάνω στο δίκτυο νερού, σαν να επιβιβάζονται σε ένα μοριακό «ταξί». Το εξειδικευμένο φασματομετρικό σύστημα αναλύει καταστρεπτικά κάθε αντίδραση δέκα φορές ανά δευτερόλεπτο, χρησιμοποιώντας τους χρονισμένους παλμούς λέιζερ, παρέχοντας πρωτοφανή ακρίβεια στις μετρήσεις.

Αν και το πείραμα δεν έχει ακόμη καταγράψει τα ενδιάμεσα βήματα της πορείας του πρωτονίου, θέτει τα πιο αυστηρά όρια για τη διαδικασία μέχρι σήμερα. «Μπορούμε να δώσουμε στους θεωρητικούς ένα σαφές στόχο για τις χημικές τους προσομοιώσεις, οι οποίες είναι ευρέως χρησιμοποιούμενες αλλά δεν είχαν έως τώρα πειραματική τεκμηρίωση», προσθέτει ο Johnson.

Η τεχνολογία αυτή, αν επεκταθεί πέρα από τον ειδικό φασματογράφο του Yale, θα μπορούσε να ενισχύσει την ακρίβεια σε πειράματα θεμελιώδους χημείας, συμβάλλοντας στη βαθύτερη κατανόηση διαδικασιών που ήταν γνωστές θεωρητικά εδώ και δύο αιώνες. Όπως παρατηρούν οι ερευνητές, αν η επιστήμη χρειάστηκε 200 χρόνια για να φτάσει σε αυτό το σημείο, λίγα ακόμη χρόνια θα είναι αρκετά για να τελειοποιηθεί η μέθοδος.

Αυτή η επιτυχία ανοίγει τον δρόμο για νέες εφαρμογές στην κβαντική χημεία, στη βιοχημεία και στην ανάπτυξη τεχνολογιών που εξαρτώνται από την κατανόηση της κίνησης των πρωτονίων σε υγρά. Η δυνατότητα «βλέπουμε» την κίνηση των πρωτονίων μέσα στο νερό επιβεβαιώνει έναν από τους πιο βασικούς μηχανισμούς της Φυσικής και της Χημείας και φέρνει την επιστήμη ένα βήμα πιο κοντά στην πλήρη κατανόηση των μοριακών διεργασιών που διέπουν τη ζωή και την τεχνολογία.

[via]