Vědci odhalili, jak voda řídí pohyb protonů: Klíčem je lokální asymetrie molekul

Mezinárodní tým vědců pod vedením Heidelberské univerzity provedl dosud nejsložitější simulace, které odhalily, jak voda řídí pohyb protonů. Zjistili, že klíčem k tomuto „přeskakování“ protonů mezi molekulami je lokální asymetrie okolních molekul vody.

Mezinárodní tým vědců pod vedením Heidelberské univerzity provedl dosud nejsložitější simulace, které odhalily, jak voda řídí pohyb protonů. Zjistili, že klíčem k tomuto „přeskakování“ protonů mezi molekulami je lokální asymetrie okolních molekul vody. Tento jev, známý jako Grotthussův mechanismus, je zásadní pro kyselost vody a hraje klíčovou roli při ukládání energie v bateriích a přenosu signálů v živých buňkách.

Pohyb protonů ve vodě, kdy se kladně nabitý vodíkový iont neustále přesouvá z jedné molekuly na druhou, je znám už od 19. století. Dosud se hydratované protony představovaly pomocí dvou idealizovaných struktur – Zundelových a Eigenových kationtů, které se liší počtem vázaných molekul vody. Nedávné studie infračervenou spektroskopií však naznačovaly dynamičtější stav, který leží mezi těmito dvěma extrémy.

Pro současný výzkum vědci simulovali rozšířený Zundelův komplex se šesti molekulami vody. Systém kontinuálně modifikovali, což jim umožnilo sledovat spojené pohyby hydratovaného protonu a jeho okolních molekul vody s plným kvantovým rozlišením. Klíčovým prvkem byla mimořádně přesná simulace sil mezi atomy, které byly zachyceny umělou neuronovou sítí trénovanou na vysoce kvalitních kvantově chemických datech. Tento model strojového učení umožnil sledovat kvantový pohyb protonu s dosud nevídanou přesností a bez jakýchkoli nastavitelných parametrů.

Simulace ukázaly, že konfigurace okolních molekul vody je rozhodujícím faktorem určujícím, jak se protony pohybují ve vodném roztoku. Infračervený otisk hydratovaného protonu a jeho charakteristické přeskakování je řízeno především lokálními asymetriemi v jeho okolí. Tyto poznatky rozšiřují stávající chápání toho, jak voda ovlivňuje pohyb protonů, a prohlubují naše znalosti o základních procesech v chemii a biologii.