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潜心研究17年,解开了物理化学的圣杯之一 精选

已有 5691 次阅读 2022-10-3 09:56 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯

潜心研究17年,解开了物理化学的圣杯之一

诸平

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Absolute cross sections scaled per oxygen atom. Absolute cross sections per oxygen atom for a larger frequency range as derived from the XAS measurements on hydrated proton complexes and on water in acetonitrile. Credit: Angewandte Chemie International Edition (2022). DOI: 10.1002/anie.202211066

据以色列内格夫本古里安大学(Ben-Gurion University of the Negev, ISRAEL2022929日报道,内格夫本古里安大学的研究人员与来自德国(GERMANY)和瑞典(SWEDEN)的研究人员合作,经过17年的研究,终于解开了物理化学的圣杯之一(Scientist resolves one of the holy grails of physical chemistry after 17 years of research)。

埃胡德·皮内斯教授(Prof. Ehud Pines)是一位反传统主义者。如果一个科学家花了17年的时间,坚持不懈地寻求一个200多年前的化学难题的解决方案,他认为这个问题从来没有得到令人满意的答案,而他所使用的方法是其他科学家认为无法通向真理的,你还能称他什么呢?现在,他被证明是正确的,因为德国《应用化学国际版》(Angewandte Chemie International Edition)发表了一篇封面文章——Maria Ekimova, Carlo Kleine, Jan Ludwig, Miguel Ochmann, Thomas E. G. Agrenius, Eve Kozari, Dina Pines, Ehud Pines, Nils Huse, Philippe Wernet, Michael Odelius, Erik T.J. Nibbering. From Local Covalent Bonding to Extended Electric Field Interactions in Proton Hydration. Angewandte Chemie International Edition (2022). DOI: 10.1002/anie.202211066. First Published: 14 September 2022. https://doi.org/10.1002/anie.202211066. 此文详细描述了埃胡德·皮内斯的实验是如何被另一个研究小组复制的,同时接受了X光检查,以揭示埃胡德·皮内斯教授一直主张的解决方案。

上图是每个氧原子的绝对横截面。从水合质子络合物和乙腈中水的XAS测量得出的更大频率范围内每个氧原子的绝对截面。

参与此项重现埃胡德·皮内斯教授实验的研究人员,有来自德国马克斯-伯恩非线性光学和短脉冲光谱学研究所(Max-Born-Institut fur Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, GERMANY)、德国纳米结构与固体物理研究所(Institute for Nanostructure and Solid State Physics, GERMANY);瑞典斯德哥尔摩大学物理系(Stockholms Universitet, Department of Physics, SWEDEN)、瑞典乌普萨拉大学物理与天文学系(Uppsala Universitet, Department of Physics and Astronomy, SWEDEN)以及以色列内格夫本古里安大学化学系(Ben-Gurion University of the Negev, Department of Chemistry, ISRAEL)的研究人员。

目前的问题是:质子如何在水中运动?1806年,西奥多·格罗杜斯(Theodor Grotthuss)提出了他的理论,后来被称为格罗杜斯机制(Grotthuss Mechanism)。多年来,许多其他人尝试了一种更新的解决方案,他们意识到,严格来说,西奥多·格罗杜斯是不正确的,但它仍然是教科书中的标准答案,直到现在。

埃胡德·皮内斯教授根据他在内格夫本古里安大学的实验研究,以及他的博士生伊夫·科扎里(Eve Kozari)和本杰明·芬格胡特(Benjamin Fingerhut)教授关于埃胡德·皮内斯教授质子化水团(protonated water clusters)结构的理论研究(theoretical studies),提出质子以3水分子(three water molecules)列在水中运动。

质子列在其下方“建造轨道”,以便其移动,然后拆卸轨道并在其前方重建轨道,以继续运行,这是一个不断消失和重现的循环轨迹。过去,许多科学家提出了类似的想法,但据埃胡德·皮内斯教授说,他们没有被赋予水合质子的正确分子结构,而水合质子凭借其独特的三聚体结构特性,促进了格罗杜斯机制。

埃胡德·皮内斯教授说:“关于格罗杜斯机制和水中质子溶剂化性质的辩论越来越激烈,因为这是化学中最基本的挑战之一。理解这一机制是纯科学,它推动了我们知识的边界,改变了我们对自然界最重要的质量和电荷传输机制之一的基本理解。”

近年来,更多的理论研究证实了埃胡德·皮内斯教授关于水合质子由三个水分子链调节的发现,但在该领域工作的大多数全球科学界仍然不愿意接受埃胡德·皮内斯教授提出的质子在水中溶剂化和运动的新模型。因此,埃胡德·皮内斯教授联系了德国马克斯-伯恩非线性光学和短脉冲光谱学研究所等的长期合作者。他们组建了一个由埃里克·尼伯林博士(Dr. Erik Nibbering)组织的国际研究小组,并复制了该实验,这次是对该化学系统进行X射线照相。这项X射线实验需要专门设计的设备,耗资数百万美元,由欧洲研究理事会(European Research Council)资助,证实了埃胡德·皮内斯教授的发现。

X射线吸收(X-ray absorption简称XAS,见上图所示)实验测量了质子电荷对水中单个氧原子内部电子结构的影响。正如埃胡德·皮内斯教授所预测的那样,发现三个水分子受质子的存在影响最大,每一个都有不同程度的影响,并且与质子一起形成质子化的三个水分子链(3-water molecules chains or "trains")。

埃胡德·皮内斯教授说:“200多年来,每个人都在思考这个问题,所以这对我来说是一个足够的挑战,我决定接受它。17年后,我很高兴很可能找到并证明了解决方案。”

下一版的大学化学书籍可能会用“皮内斯机制(Pines Mechanism)”来取代对格罗杜斯机制的描述,这一想法让埃胡德·皮内斯教授很高兴,但与理解自然界最常见和最基本的过程之一的基本机制相比,这仅仅是一件稀奇的事。

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

物理学家从实验数据中提取质子质量半径(Physicists extract proton mass radius from experimental data

Abstract

Seemingly simple yet surprisingly difficult to probe, excess protons in water constitute complex quantum objects with strong interactions with the extended and dynamically changing hydrogen-bonding network of the liquid. Proton hydration plays pivotal roles in energy transport in hydrogen fuel cells and signal transduction in transmembrane proteins. While geometries and stoichiometry have been widely addressed in both experiment and theory, the electronic structure of these specific hydrated proton complexes has remained elusive. Here we show, layer by layer, how utilizing novel flatjet technology for accurate x-ray spectroscopic measurements and combining infrared spectral analysis and calculations, we find orbital-specific markers that distinguish two main electronic-structure effects: Local orbital interactions determine covalent bonding between the proton and neigbouring water molecules, while orbital-energy shifts measure the strength of the extended electric field of the proton.



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