200 年后，一个关键的物理化学之谜可能已经解开：

几个世纪以来，质子在电场中如何精确地穿过水中的问题一直让科学家着迷。现在，在对这一现象进行最后一次重大洞察 200 多年后，科学家们有了一些清晰的认识。

1806 年，Theodor Grotthuss 提出了一个假说，后来被称为“质子跳跃”的 Grotthuss 机制’，关于电荷如何流过水溶液。

虽然 Grotthuss 的假设在当时非常具有前瞻性 – 在质子甚至水的实际结构甚至为人所知之前 -现代研究人员早就知道，它并没有提供对分子水平上发生的事情的完整理解。

关于该主题的最新发现可能已经通过解析水合物的电子结构来解开这个谜团长期以来一直难以捉摸的质子。

研究结果表明，质子以三个水分子的“火车”形式在水中移动，“轨道”建在前面火车行驶时的 t 并在它通过后拉起。

这个循环可以无限期地进行以在水中传输质子。根据研究作者的说法，虽然之前有人提出过这个想法，但新研究分配了一种不同的分子结构，更适合 Grotthuss 提出的解决方案。

“关于 Grotthuss 机制和性质的争论以色列内盖夫本古里安大学的化学家埃胡德·派恩斯 (Ehud Pines) 说：“水中的质子溶剂化变得越来越热，因为这是化学中最基本的挑战之一。”

这项新研究令人信服，因为它将理论方法与最近的技术进步使之成为可能的物理实验相结合。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，尽管不同每个人的范围三聚体簇内的分子。研究人员发现这三个分子组与质子形成链。

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质子与相邻水分子之间的相互作用。

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“理解这种机制是纯科学，它突破了我们的知识界限，并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，”派恩斯说。

这一发现对许多其他化学过程都有影响，包括光合作用、细胞呼吸和氢燃料电池中的能量传输。

值得注意的不仅是解决方案，还有研究人员如何找到它 – 测试和以实验结果验证理论预测，反之亦然，在一个漫长而曲折的过程中，从开始到结束花费了将近二十年的时间。

“每个人Pines 说：“我对这个问题思考了 200 多年，所以这对我来说是一个足够大的挑战，所以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。”

该研究已发表在 Angewandte Chemie International Edition。