Всім відомо, що вода - відмінний провідник електричного струму. З цієї причини, наприклад, вкрай не рекомендується використовувати електричні прилади поблизу джерел води і не купатися у водоймах під час грози. Однак незважаючи на відносну простоту цього правила, до сих пір ніхто не міг точно пояснити, як молекули води здатні передавати між собою протони під час цього процесу провідності.
Група дослідників з Єльського університету під керівництвом професора хімії Марка Джонсона вперше змогла зафіксувати за допомогою спектроскопічного аналізу процес передачі електронів, що відбувається в молекулах води. Сам процес передачі носить назву «механізму Гротгуса» (був вперше передбачений німецьким хіміком Теодором фон Гротгуса) і мучить уми вчених вже більше 200 років.
«Цей фундаментальний хімічний і біологічний процес не мав точного обґрунтування і пояснення», - каже дослідник Енні Маккой з Вашингтонського університету.
Роки вивчення хімії води на молекулярному рівні все-таки привели до потрібного відкриття. В рамках дослідження вчені змогли заморозити молекули води в той момент, коли вони перебували в своїх перехідних станах, що дозволило дослідникам в деталях вивчити структурні зміни, що відбуваються в рамках механізму Гротгуса. У своїй роботі вони застосовували молекули «важкої води» (оксид дейтерію), які дуже різко заморожувалися до температури близької до абсолютного нуля (-273,15 градуса Цельсія).
Багато років саме це зображення було самим детальним поданням нашого розуміння про те, як відбувається цей процес. Незважаючи на те, що вчені прекрасно розуміли, як цей механізм працює на практиці, вони не мали можливості візуально і в деталях переконатися в цьому.
Як вказує журнал Science, результати дослідження носять революційний характер. Останні 200 років вчені намагалися знайти експериментальний метод, щоб простежити за структурними змінами в молекулах води, коли ті проводять електрику. Завдання виявилося крайней складною. В останні роки дослідники намагалися здійснити моніторинг процесу за допомогою інфрачервоного сканування. Результати виявилися дуже неякісними. Знімки були дуже розпливчастими і не давали чіткого уявлення про те, що відбувається процесі.
«Розпливчатість виявилася настільки сильною, що навіть не дозволила визначити зв'язок між кольором і структурою», - пояснює Джонсон.
Але варто було тільки вченим застосувати метод миттєвої заморозки, результати виявилися приголомшливими.
«Ми фактично відкрили Розеттський камінь, який показав нам структурну інформацію у всіх деталях і кольорі. Ми змогли виявити послідовність певних деформацій, що змінюються, як кадри у фільмі. Це дасть нам нове уявлення про воду і її проводять властивості, так як феномен є частиною безлічі хімічних реакцій на Землі », - говорить Джонсон.
«Тепер у нас є втрачена ланка, що дає нам уявлення про більш повну картину: як протони рухаються через молекули води», - каже Маккой.
Крім того, техніка, яку використовували вчені для відкриття, також є в деякій мірі революційною. Вона також дозволяє нам зазирнути в інші властивості води на кшталт нещодавно виявленої можливості води перетворюватися в лід, навіть при температурах вище кипіння .
