بعد 200 عام من الغموض.. علماء يحلون أحد أبرز ألغاز الكيمياء الفيزيائية

لم يتمكن العلماء من تفسير الطريقة التي تتحرك بها البروتونات عبر الماء بشكل دقيق ومقنع منذ 200 عام، عندما اقترح ثيودور غروتوس نظرية في شأنها.
ومع ذلك، نجحت نتائج دراسة حديثة أجراها فريق دولي من الأكاديميين في إظهار نظرية تجيب عن هذا السؤال، وفقا لجامعة بن غوريون في إسرائيل.
وفي عام 1806، طرح ثيودور غروتوس فرضية، عُرفت باسم آلية غروتوس “لقفز البروتون”، حول كيفية تدفق الشحنة عبر محلول الماء، وهي قيام بروتون زائد بالتأثير على شبكة الروابط الهيدروجينية لجزيئات الماء أو السوائل الأخرى ذات الروابط الهيدروجينية من خلال انقسام أو تشكيل روابط تساهمية.
وفي حين أن فرضية غروتوس كانت تفكيرا تقدميا للغاية حينذاك، قبل أن تكون البروتونات، أو حتى البنية الفعلية للماء معروفة، فإن العلماء المعاصرين عرفوا منذ فترة طويلة أنها لم تقدم فهما كاملا لما يحدث على المستوى الجزيئي.
وربما تكون أحدث النتائج حول هذا الموضوع اكتشاف اللغز من خلال حل الهياكل الإلكترونية للبروتونات الرطبة التي ظلت بعيدة المنال لفترة طويلة.
علماء: الانعكاسات المنبعثة من القطب الجنوبي للمريخ قد تكون ناجمة عن شيء أغرب من الماء!
وأجرى العلماء تجربة امتصاص الأشعة السينية لقياس تأثير شحنة البروتون على التركيب الإلكتروني الداخلي لذرات الأكسجين في الماء، مؤكدين أن البروتونات تتحرك عبر الماء في “قطارات (سلاسل) من الماء ثلاثية الجزيئات”، على النحو الذي اقترحه إيهود باينز، الكيميائي في جامعة بن غوريون في النقب في إسرائيل.
وأظهرت النتائج أن وجود بروتون يفسد ثلاثة جزيئات ماء، مكونا “سلاسل أو قطارات” من جزيئات الماء “البروتونية”.
ويوضح الفريق: “يبني قطار الجزيئات المسارات الموجودة أسفله لتحريكها، ثم يفكك المسارات ويعيد بناءها أمامه لمواصلة المضي قدما. إنها حلقة من المسارات التي تختفي وتعاود الظهور وتستمر بلا نهاية”.
وتابع باينز: “اشتعلت المناقشات حول آلية غروتوس وطبيعة ذوبان البروتون في الماء، لأن هذا أحد أهم التحديات الأساسية في الكيمياء. وفهم هذه الآلية هو علم خالص يدفع بحدود معرفتنا ويغير أحد مفاهيمنا الأساسية لإحدى آليات نقل الكتلة والشحنة في الطبيعة”.
وتبدو نتائج الدراسة الجديدة مقنعة لأنها تجمع بين النهج النظري والتجريب الفيزيائي، الذي أصبح ممكنا بفضل التطورات التكنولوجية الحديثة.
وقد استخدم العلماء تجربة التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية (XAS) لمراقبة كيفية تأثير شحنات البروتون على الإلكترونات في ذرات الأكسجين المفردة في الماء.
وكما هو متوقع، كان التأثير أكبر على ثلاثة جزيئات ماء، على الرغم من النطاقات المختلفة على كل جزيء فردي داخل الكتلة الثلاثية.
العلماء يكتشفون نشاطا غير متوقع في بكتيريا “ميتة”
ووجد الفريق مجموعات من ثلاث جزيئات تشكل سلاسل مع البروتون. ودمج العلماء أيضا عمليات المحاكاة والحسابات الكيميائية على مستوى الكم لتحديد التفاعل في ما بين البروتونات وجزيئات الماء المجاورة أثناء تحرك البروتونات عبر السائل.
ويقول باينز: “إن فهم هذه الآلية هو علم خالص، يدفع بحدود معرفتنا ويغير أحد مفاهيمنا الأساسية لواحدة من أهم آليات النقل الجماعي والشحن في الطبيعة”.
ويلعب هذا الاكتشاف دورا في العديد من العمليات الكيميائية الأخرى، بما في ذلك التمثيل الضوئي وتنفس الخلايا ونقل الطاقة في خلايا وقود الهيدروجين.
وأضاف باينز: “فكر الجميع في هذه المشكلة لأكثر من 200 عام، لذلك كان ذلك بمثابة تحد كاف لي كي أقرر البحث فيها. وبعد سبعة عشر عاما، أنا ممتنٍ لأنني على الأرجح وجدت الحل وها أنا أظهره”.
نُشرت نتائج الدراسة مفصلة في مجلة Angewandte Chemie International Edition.