Forsker løser en af ​​de hellige grale i fysisk kemi efter 17 års forskning

Prof. Ehud Pines er en ikonoklast. Hvad kan man ellers kalde en videnskabsmand, der brugte 17 år ihærdigt på at forfølge løsningen på et over 200 år gammelt kemiproblem, som han mente aldrig fik et tilfredsstillende svar ved hjælp af metoder, som ingen anden videnskabsmand troede kunne føre til sandheden? Nu er han bekræftet som Angewandte Chemie udgav en forsideartikel, der beskriver, hvordan hans eksperiment blev replikeret af en anden forskergruppe, mens han blev røntgenfotograferet for at afsløre den løsning, prof. Pines har argumenteret for hele tiden.

Spørgsmålet er:Hvordan bevæger en proton sig gennem vand? I 1806 foreslog Theodor Grotthuss sin teori, som blev kendt som Grotthuss-mekanismen. I årenes løb forsøgte mange andre en opdateret løsning og indså, at Grotthuss strengt taget var forkert, men det forblev standardsvaret i lærebogen. Indtil nu.

Prof. Ehud Pines foreslog, baseret på sine eksperimentelle studier ved Ben-Gurion University of the Negev, sammen med sin ph.d. studerende Eve Kozari, og teoretiske undersøgelser af prof. Benjamin Fingerhut om strukturen af ​​prof. Pines' protonerede vandklynger, at protonen bevæger sig gennem vand i tog af tre vandmolekyler.

Protontogene "bygger sporene" under dem til deres bevægelse og skiller derefter sporene ad og genopbygger dem foran dem for at fortsætte. Det er en løkke af forsvindende og dukker op igen, som fortsætter i det uendelige. Lignende ideer blev fremsat af en række videnskabsmænd i fortiden, men ifølge prof. Pines blev de ikke tildelt den korrekte molekylære struktur af den hydrerede proton, som ved sine unikke trimere strukturelle egenskaber fører til at fremme Grotthuss-mekanismen.

"Debatterne om Grotthuss-mekanismen og arten af ​​protonopløsning i vand er blevet opvarmede," siger prof. Pines, "da dette er en af ​​de mest grundlæggende udfordringer i kemi. At forstå denne mekanisme er ren videnskab, der skubber grænserne for vores viden og ændring af en af ​​vores grundlæggende forståelser af en af ​​naturens vigtigste masse- og ladningstransportmekanismer."

Mens yderligere teoretiske undersøgelser i de senere år har bekræftet prof. Pines' fund af den hydrerede proton, der er optaget af en kæde af tre vandmolekyler, var det meste af det globale videnskabelige samfund, der arbejder på området, fortsat tilbageholdende med at acceptere prof. Pines' nye model for protonopløsning og bevægelse i vand. Så prof. Pines nåede ud til mangeårige samarbejdspartnere på Max Born Institute i Tyskland.

De sammensatte et internationalt forskerhold organiseret af Dr. Erik Nibbering og gentog eksperimentet, denne gang røntgenstrålende det kemiske system. Røntgeneksperimentet – som krævede specialdesignet udstyr, der kostede millioner af dollars finansieret af Det Europæiske Forskningsråd – bekræftede prof. Pines' resultater.

X-ray absorption (XAS)-eksperimentet målte protonladningens effekt på strukturen af ​​de indre elektroner i vandets enkelte oxygenatomer. Som forudsagt af prof. Pines blev det fundet, at tre vandmolekyler er mest påvirket af tilstedeværelsen af ​​protonen, hver i forskellig udstrækning, og danner sammen med protonen protonerede 3-vandsmolekyler kæder eller "tog." /P>

"Alle har tænkt over dette problem i over 200 år, så det var en tilstrækkelig udfordring for mig til at beslutte mig for at tage det op. Sytten år senere er jeg glad for højst sandsynligt at have fundet og demonstreret løsningen," siger prof. Pines.

Den næste udgave af college-kemibøger kan erstatte beskrivelsen af ​​Grotthuss-mekanismen med "Pines Mechanism", en idé, der kilder prof. Pines, men som blot er et kuriosum sammenlignet med åbenbaringen af ​​at forstå denne grundlæggende mekanisme i en af ​​de mest almindelige og grundlæggende processer i naturen. + Udforsk yderligere

Fysikere udvinder protonmasseradius fra eksperimentelle data