هر ثانیه، بارهای الکتریکی بیشماری درون بدن انسان حرکت میکنند. این سیگنالهای میکروسکوپی، پایه و اساس زندگی هستند؛ از ارتباط سلولها گرفته تا تولید انرژی و متابولیسم. اما راز این جابجایی سریع و کارآمد بارها چیست؟ دانشمندان موسسه فریتز هابر وابسته به انجمن ماکس پلانک، به همراه همکارانی از لایپزیگ و ایالات متحده، با بررسی دقیق یک ساختار مولکولی کلیدی، موفق به رمزگشایی از معمای «بزرگراه پروتون» طبیعت شدهاند.
اسید فسفریک؛ ستون ارتباطی زیستشناسی و فناوری
اسید فسفریک و ترکیبات وابسته به آن تقریباً در همه جای سیستمهای زنده یافت میشوند. این مولکولها اجزای اصلی DNA و RNA، بخشی از غشای سلولی و هسته مرکزی ATP (مولکول ذخیره و انتقال انرژی) هستند. فراتر از زیستشناسی، اسید فسفریک به دلیل توانایی استثنایی در هدایت پروتونها، در فناوریهایی مانند باتریها و پیلهای سوختی کاربرد گستردهای دارد.
مکانیسم جابجایی پروتون؛ از جهش تا شاتلینگ
پروتونها برخلاف الکترونها، به صورت آزادانه حرکت نمیکنند. آنها با جهش از یک مولکول به مولکول دیگر و با هدایت شبکهای از پیوندهای هیدروژنی، مسیر خود را طی میکنند. این فرآیند که «پروتونشاتلینگ» نام دارد، به بارها اجازه میدهد با سرعتی چشمگیر حرکت کنند. اگرچه دانشمندان سالها از وجود این مکانیسم آگاه بودند، اما جزئیات دقیق مولکولی آن تاکنون در هالهای از ابهام باقی مانده بود.
انجماد در آستانه صفر مطلق؛ شکار لحظه نخست
پژوهشگران برای واکاوی این راز، روی یک مولکول باردار منفی به نام «دایمر دپروتونه H3PO4·H2PO4-» تمرکز کردند که نقش آغازگر پروتونشاتلینگ را دارد. آنها این مولکول را در آزمایشگاه ساخته و با قرار دادن آن درون قطرهای از هلیوم مایع، دمای آن را به ۰.۳۷ درجه بالای صفر مطلق کاهش دادند. در این سرمای شدید، تقریباً تمام اغتشاشات محیطی حذف میشود و محققان توانستند با استفاده از طیفسنجی فروسرخ، ساختار مولکول را با دقتی بینظیر تحلیل کنند.
نتایج تجربی با محاسبات شیمی کوانتومی ترکیب شد تا تصویری کامل از آرایش و رفتار مولکول به دست آید.
یک شگفتی بزرگ: ساختاری واحد برخلاف پیشبینیها
مدلهای نظری پیشبینی کرده بودند که این مولکول میتواند به دو ساختار با احتمال مساوی وجود داشته باشد. اما دادههای تجربی تنها یک پیکربندی پایدار را نشان دادند. این ساختار نسبتاً صلب است و از سه پیوند هیدروژنی تشکیل شده که از طریق یک اتم اکسیژن مشترک به هم متصل شدهاند. جالب اینکه موانع انرژی بالایی در این ساختار وجود دارد که حرکت آسان پروتونها را محدود میکند. الگوهای پیوندی مشابهی در خوشههای دیگر اسید فسفریک دیده شده که نشان میدهد این آرایش احتمالاً یک ویژگی ساختاری جهانی در چنین سیستمهایی است.
این یافته یک درس مهم به همراه دارد: حتی پیشرفتهترین مدلهای نظری هم ممکن است جزئیات کلیدی را نادیده بگیرند و تأیید تجربی برای درک واقعی ساختارهای مولکولی ضروری است.
اهمیت کشف؛ از زیستشناسی تا طراحی مواد جدید
این تحقیق به روشنسازی اساس مولکولی رسانایی پروتون فوقالعاده اسید فسفریک کمک میکند. با شناسایی یک ساختار واحد و بهخوبی تعریفشده برای دایمر آنیونی کلیدی، دانشمندان اکنون درک بهتری از چگونگی حرکت پروتونها در این مسیر (که اغلب «بزرگراه پروتون طبیعت» نامیده میشود) دارند. این یافتهها همچنین یک نقطه مرجع جدید برای محاسبات نظری آینده فراهم میکنند و میتوانند الهامبخش طراحی مواد کارآمدتر برای ذخیره و انتقال انرژی باشند.
به گفته محققان، گام بعدی بررسی این ساختار در دماهای بالاتر و شرایط واقعیتر است تا بتوان آن را به فناوریهای عملی مانند باتریهای نسل آینده نزدیکتر کرد.
