Перенос электрического заряда в живых организмах служит основой для обмена веществ, синтеза энергии и межклеточной коммуникации. Ключевую роль в этих процессах играют соединения фосфорной кислоты, входящие в состав ДНК, РНК и молекул АТФ. Благодаря своей способности эффективно проводить протоны это вещество также находит широкое применение в технологиях создания топливных элементов и аккумуляторов.
Механизм перемещения зарядов в фосфорсодержащих материалах отличается от свободного движения частиц. Протоны перемещаются, перепрыгивая от одной молекулы к другой по путям, сформированным водородными связями. Этот процесс, известный как эстафетный перенос протона, позволяет зарядам двигаться с высокой скоростью, однако детали его начальных этапов на молекулярном уровне долгое время оставались предметом дискуссий.
Исследователи из Института Фрица Габера Общества Макса Планка совместно с коллегами из Лейпцига и США сосредоточились на изучении депротонированного димера – структуры из двух молекул фосфорной кислоты, которая считается пусковым механизмом для начала эстафетного переноса. Чтобы зафиксировать мгновенное состояние молекул, ученые охладили образец до температуры 0,37 Кельвина, поместив его в нанокаплю жидкого гелия. В условиях, близких к абсолютному нулю, тепловые помехи сводятся к минимуму, что позволило провести высокоточные измерения методом инфракрасной спектроскопии.
Экспериментальные данные в сочетании с методами квантовой химии позволили опровергнуть существующие теоретические прогнозы. Математические модели предполагали наличие двух равновероятных структур димера, однако на практике была обнаружена только одна стабильная конфигурация. Эта структура оказалась жесткой и характеризуется наличием трех водородных связей, соединенных через общий атом кислорода. Установленная форма создает высокие барьеры для внутреннего перемещения протонов, что объясняет специфику проводимости в более крупных кластерах фосфорной кислоты.
Результаты исследования уточняют представления о работе так называемой природной протонной магистрали. Понимание точной структуры активных узлов в фосфорсодержащих системах необходимо для совершенствования квантово-химических расчетов и проектирования новых материалов с улучшенной проводимостью. В долгосрочной перспективе это может способствовать повышению эффективности энергетических установок и более детальному пониманию фундаментальных биологических реакций.