Παγώνοντας ένα κρίσιμο σύμπλεγμα φωσφορικού οξέος σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, οι επιστήμονες ανακάλυψαν μια ενιαία, απροσδόκητα σταθερή δομή στην «καρδιά» της μεταφοράς πρωτονίων.
Το φωσφορικό οξύ είναι ζωτικής σημασίας τόσο στη βιολογία όσο και στη σύγχρονη τεχνολογία, λόγω της εξαιρετικής του ικανότητας να μεταφέρει ηλεκτρικό φορτίο. Στο εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος, αλλά και σε συσκευές όπως οι κυψέλες καυσίμου, αυτό το μικρό μόριο βοηθά στην καθοδήγηση απαραίτητων χημικών αντιδράσεων.
Επιστήμονες του Τμήματος Μοριακής Φυσικής του Ινστιτούτου Fritz Haber αποκάλυψαν τώρα νέες λεπτομέρειες σχετικά με το πώς επιτελείται αυτή η διαδικασία σε μοριακό επίπεδο.
Πώς τα μικροσκοπικά ηλεκτρικά σήματα ελέγχουν τη ζωή
Κάθε δευτερόλεπτο, αμέτρητα ηλεκτρικά φορτία ρέουν μέσα στο σώμα μας. Αυτά τα σήματα είναι απαραίτητα για τη ζωή. Διαδικασίες όπως η κυτταρική επικοινωνία, η μετατροπή ενέργειας και ο μεταβολισμός βασίζονται όλες στην προσεκτικά ελεγχόμενη κίνηση φορτισμένων σωματιδίων μέσω των μεμβρανών και στο εσωτερικό των κυττάρων.
Με πολλούς τρόπους, η μεταφορά φορτίου χρησιμεύει ως ένα θεμελιώδες ρυθμιστικό σύστημα. Το φωσφορικό οξύ (H₃PO₄) και οι σχετικές φωσφορικές ενώσεις βρίσκονται σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς.
Σχηματίζουν τη «ραχοκοκαλιά» του DNA και του RNA, συμβάλλουν στη δομή των κυτταρικών μεμβρανών και αποτελούν μέρος του ATP, του μορίου που αποθηκεύει και μεταφέρει ενέργεια στα κύτταρα. Αυτές οι ενώσεις είναι ιδιαίτερα σημαντικές για τη μετακίνηση θετικών φορτίων στα βιολογικά συστήματα.
Ο ρόλος που παίζει το φωσφορικό οξύ στην τεχνολογία
Πέρα από τη βιολογία, το φωσφορικό οξύ παίζει επίσης σημαντικό τεχνολογικό ρόλο. Χρησιμοποιείται σε ορισμένους τύπους μπαταριών και σε κυψέλες καυσίμου. Σε αυτά τα συστήματα, οι μηχανικοί εκμεταλλεύονται ένα εξαιρετικό χαρακτηριστικό του: την ασυνήθιστα υψηλή αγωγιμότητα πρωτονίων.
Τα πρωτόνια φέρουν θετικό φορτίο και μπορούν να κινηθούν μέσα από υλικά που περιέχουν φωσφορικά άλατα με σταδιακό τρόπο. «Πηδούν» από το ένα μόριο στο επόμενο κατά μήκος δικτύων δεσμών υδρογόνου. Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως «διαμετακόμιση πρωτονίων» (proton-shuttling), επιτρέπει στα φορτία να ταξιδεύουν εξαιρετικά γρήγορα.
Αν και οι επιστήμονες κατανοούν εδώ και καιρό ότι αυτός ο μηχανισμός λειτουργεί, πολλές από τις λεπτομέρειές του παρέμεναν ασαφείς. Στην πρόσφατη μελέτη τους, ερευνητές από το Ινστιτούτο Fritz Haber, σε συνεργασία με επιστήμονες από τη Λειψία και τις ΗΠΑ, επικεντρώθηκαν στον προσδιορισμό της δομής ενός κρίσιμου, αρνητικά φορτισμένου συμπλέγματος φωσφορικού οξέος.
Αποσαφηνίζοντας τη δομή του, στόχευσαν στην καλύτερη κατανόηση των αρχικών σταδίων της μεταφοράς πρωτονίων.
μέσω φασματοσκοπίας υπερύθρου. Πηγή: FHI / Rakesh Prabhu
Μια «ψυχρή» ματιά στη «θερμή» χημεία με κρυογονική φασματοσκοπία
Παλαιότερες έρευνες είχαν υποδείξει ότι μια συγκεκριμένη αρνητικά φορτισμένη μορφή του φωσφορικού οξέος θα μπορούσε να λειτουργήσει ως το σημείο εκκίνησης για την αλληλουχία της διαμετακόμισης πρωτονίων. Αυτό το είδος είναι το αποπρωτονιωμένο διμερές. Για να το εξετάσει πιο προσεκτικά, η ομάδα δημιούργησε αυτό το μόριο στο εργαστήριο και το μελέτησε σε συνθήκες ακραίου ψύχους.
Το ενσωμάτωσαν μέσα σε ένα νανοσταγονίδιο ηλίου, ψύχοντάς το μόλις στους 0,37 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας υπέρυθρη ακτινοβολία, ανέλυσαν τη δομή του.
Η ψύξη του μορίου σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες μειώνει σημαντικά τη θερμική κίνηση και άλλες παρεμβολές. Αυτό επιτρέπει στους επιστήμονες να μετρήσουν τη δομή του με υψηλή ακρίβεια. Τα πειραματικά ευρήματα υποστηρίχθηκαν περαιτέρω από κβαντοχημικούς υπολογισμούς, οι οποίοι βοηθούν στην πρόβλεψη της διάταξης και της συμπεριφοράς των μορίων.
Το αόρατο δίκτυο: Η δομή και οι δεσμοί υδρογόνου που ανακαλύφθηκαν
Όταν οι ερευνητές συνέκριναν τις μετρήσεις τους με τις θεωρητικές προβλέψεις, διαπίστωσαν μόνο μερική συμφωνία. Τα υπολογιστικά μοντέλα είχαν υποδείξει ότι δύο δομικές μορφές θα έπρεπε να είναι εξίσου πιθανές. Ωστόσο, τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ξεκάθαρα ότι το αποπρωτονιωμένο διμερές του φωσφορικού οξέος υιοθετεί μια ενιαία σταθερή δομή.
Αυτή η δομή είναι σχετικά δύσκαμπτη και παρουσιάζει υψηλά ενεργειακά φράγματα για τη μεταφορά πρωτονίων. Περιλαμβάνει τρεις δεσμούς υδρογόνου και διαθέτει ένα κοινό άτομο οξυγόνου που λειτουργεί ως δέκτης.
Παρόμοιες διατάξεις έχουν παρατηρηθεί και σε άλλα συμπλέγματα που περιέχουν φωσφορικό οξύ, υποδηλώνοντας ότι αυτό το μοτίβο δεσμών υδρογόνου ενδέχεται να είναι κοινό σε τέτοια συστήματα.
Τα ευρήματα αποδεικνύουν ότι τα θεωρητικά μοντέλα από μόνα τους ενδέχεται να μην αποτυπώνουν πάντα την πλήρη εικόνα. Η προσεκτική πειραματική εργασία παραμένει απαραίτητη για τον προσδιορισμό ακριβών μοριακών δομών.
Η σημασία της μελέτης
Η μελέτη προσφέρει μια νέα ματιά στη μοριακή βάση της αξιοσημείωτης αγωγιμότητας πρωτονίων του φωσφορικού οξέος, της «λεωφόρου πρωτονίων της Φύσης».
Προσδιορίζοντας μια ενιαία σταθερή δομή για το βασικό ανιονικό διμερές (NH₄OH), και αποκαλύπτοντας το ιδιαίτερο μοτίβο των δεσμών υδρογόνου του, οι ερευνητές αποσαφήνισαν ένα σημαντικό κομμάτι του παζλ της μεταφοράς πρωτονίων.
Επιπλέον, η εργασία αυτή παρέχει ένα πολύτιμο σημείο αναφοράς για τη βελτίωση των κβαντοχημικών μεθόδων που χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση συμπλεγμάτων που περιέχουν φωσφορικά άλατα.
Αυτές οι πρόοδοι θα μπορούσαν να υποστηρίξουν την ανάπτυξη καλύτερων υλικών αγωγής πρωτονίων και να εμβαθύνουν την επιστημονική κατανόηση του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί η μεταφορά πρωτονίων στα ζωντανά συστήματα.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου