Một bước ngoặt trong sự hiểu biết cách thức nước dẫn điện

Phát hiện này là một bước tiến quan trọng trong kiến ​​thức của chúng ta về cách thức nước tạo ra một điện tích dương, và là một cơ chế nền tảng trong sinh học và hóa học. Các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi giáo sư hóa học Mark Johnson đại học Yale, báo cáo khám phá của họ trong ấn bản ngày 1 tháng 12 của tạp chí Science.

Trong hơn 200 năm, các nhà khoa học đã suy đoán về các các lực cụ thể hiện diện khi điện chạy qua nước - một quá trình được gọi là cơ chế Grotthuss. Nó xảy ra có thể nhìn thấy, ví dụ, khi ánh sáng chiếu vào võng mạc của mắt. Nó cũng xuất hiện trong cách thức các tế bào nhiên liệu hoạt động.

Nhưng các chi tiết vẫn còn không rõ ràng. Cụ thể, các nhà khoa học đã tìm cách thử nghiệm để theo sát những thay đổi về cấu trúc trong mạng của các phân tử nước liên kết với nhau khi một proton phụ được chuyển từ một nguyên tử oxy này sang một nguyên tử khác.

"Các nguyên tử oxy không cần phải di chuyển nhiều ", Johnson nói. "Nó là loại giống như cái giá Newton, đồ chơi của trẻ với một chuỗi các quả cầu thép, mỗi một quả cầu thép được treo bằng một sợi dây. Nếu bạn nâng một quả cầu để nó đập vào chuỗi, chỉ có quả cầu cuối di chuyển, để lại những những quả cầu khác không xáo trộn. "

Phòng thí nghiệm của Johnson đã dành nhiều năm tìm hiểu thành phần hóa học của nước ở cấp độ phân tử. Thông thường, điều này được thực hiện với các công cụ thiết kế đặc biệt được xây dựng tại Đại học Yale. Trong số rất nhiều những khám phá của phòng thí nghiệm là việc sử dụng sáng tạo ion hóa electrospray, được phát triển bởi nhà khoa học đoạt giải Nobel John Fenn đại học Yale.

Johnson và nhóm của ông đã phát triển cách thức để đóng băng nhanh các quá trình hóa học để cấu trúc tạm thời có thể được cô lập, tiết lộ ra những sắp xếp của các nguyên tử trong một phản ứng. Việc sử dụng thực tế đối với những phương pháp từ việc tối ưu hóa các công nghệ năng lượng thay thế cho sự phát triển của dược phẩm.

Trong trường hợp tiếp sức đua proton, nỗ lực trước đây để nắm bắt quá trình này dựa vào sử dụng thay đổi màu sắc hồng ngoại. Nhưng kết quả luôn luôn xuất hiện trông như một bức ảnh bị mờ.

"Trong thực tế, những điểm mờ này sẽ là quá nghiêm trọng đến bao giờ cho phép một kết nối thuyết phục giữa màu sắc và cấu trúc", Johnson nói.

Câu trả lời, ông đã tìm thấy, là làm việc một vài phân tử của "nước nặng" - nước làm bằng đồng vị deuterium hydro - và làm lạnh chúng đến 0 độ tuyệt đối. Đột nhiên, những hình ảnh của các proton trong chuyển động trở nên sắc nét đáng kể hơn.

"Về bản chất, chúng tôi phát hiện ra manh mối tiết lộ thông tin cấu trúc mã hóa trong màu sắc", Johnson nói. "Chúng tôi có thể thể hiện một chuỗi các biến dạng phối hợp, như các khung hình của một bộ phim." phòng thí nghiệm của Johnson đã được hỗ trợ bởi các nhóm thí nghiệm của Knut Asmis tại Đại học Leipzig và các nhóm lý thuyết của Ken Jordan thuộc Đại học Pittsburgh và Anne McCoy của Đại học Washington.

Một lĩnh vực mà những thông tin này sẽ hữu ích là trong việc tìm hiểu quá trình hóa học xảy ra ở bề mặt của nước, Johnson ghi nhận. Có cuộc tranh luận tích cực giữa các nhà khoa học về việc liệu có bề mặt nước nhiều hay ít tính acid hơn so với phần còn lại. Hiện nay, không có cách nào để đo độ pH trên bề mặt của nước.

Tác giả đầu tiên của bài báo là Conrad Wolke, một cựu sinh viên tiến sĩ đại học Yale trong phòng thí nghiệm của Johnson. Các đồng tác giả của bài báo là từ Đại học Chicago, Đại học Ohio State, Đại học Pittsburgh, Đại học Washington, Đại học Leipzig, và Fritz Haber Viện Xã hội Max Planck.

Nhã Khanh (Theo sciencedaily)