每時(shí)每刻，你的身體里都有數(shù)以億計(jì)的質(zhì)子在奔跑。這些帶正電荷的粒子穿越細(xì)胞膜、驅(qū)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換、參與DNA的信號傳遞，構(gòu)成了生命運(yùn)轉(zhuǎn)最底層的電氣系統(tǒng)。而在這場奔跑中，磷酸分子扮演著不可或缺的"高速公路"角色。

問題是，這條高速公路的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，人類此前從未真正看清楚過。

質(zhì)子是怎么"跑"起來的？

要理解這項(xiàng)研究的意義，首先得明白質(zhì)子傳輸是怎么一回事。

磷酸及其相關(guān)磷酸鹽化合物，是自然界中分布最廣泛的分子之一。它們構(gòu)成DNA和RNA骨架，參與細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)搭建，是ATP儲存和釋放能量的核心組件。在技術(shù)領(lǐng)域，磷酸被用于燃料電池，是高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的核心電解質(zhì)材料。

磷酸之所以在這些領(lǐng)域不可替代，根本原因在于它異常出色的質(zhì)子傳導(dǎo)能力。質(zhì)子不是通過線纜式的物理連接從一端傳到另一端，而是沿著磷酸分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，像接力賽一樣從一個(gè)分子"跳躍"到下一個(gè)分子，這個(gè)過程被稱為"質(zhì)子穿梭"。電荷傳遞的速度極快，效率極高。

但這條"高速公路"的起點(diǎn)在哪里？分子層面的第一步究竟長什么樣？這個(gè)問題在科學(xué)界懸而未決了相當(dāng)長的時(shí)間。

此前的研究已經(jīng)指出，一種名為去質(zhì)子化磷酸二聚體、化學(xué)式為H?PO?·H?PO??的帶負(fù)電荷分子復(fù)合物，可能就是質(zhì)子穿梭序列的起始點(diǎn)。但要看清楚這個(gè)分子的精確結(jié)構(gòu)，擋在科學(xué)家面前的障礙是熱運(yùn)動(dòng)：在常溫條件下，分子持續(xù)振動(dòng)，結(jié)構(gòu)特征模糊不清，無法精確測量。

把分子凍到距絕對零度只差0.37℃

弗里茨·哈伯研究所分子物理系的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合德國萊比錫大學(xué)和美國合作者，找到了解決這個(gè)問題的辦法：把這個(gè)分子冷到極致，讓它幾乎完全停止振動(dòng)，再用紅外光去照。

具體做法是將目標(biāo)分子嵌入氦納米液滴中，這是一種極其微小的液態(tài)氦小球，能在超低溫條件下包裹住單個(gè)分子，將其溫度降至僅比絕對零度高0.37攝氏度，也就是約零下272.78攝氏度。在這個(gè)溫度下，熱運(yùn)動(dòng)幾乎完全消失，分子被"凍結(jié)"在其最穩(wěn)定的構(gòu)型上。隨后，研究人員用紅外輻射照射這個(gè)被冷凍的復(fù)合物，通過分析分子對不同頻率紅外光的吸收特征，推導(dǎo)出其精確的化學(xué)鍵排列和空間結(jié)構(gòu)。

這套方法被稱為低溫振動(dòng)光譜技術(shù)，此前已在多個(gè)領(lǐng)域被證明是解析復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)的有力工具。但將其應(yīng)用于磷酸去質(zhì)子化二聚體這個(gè)特定目標(biāo)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與量子化學(xué)理論計(jì)算進(jìn)行系統(tǒng)比對，是這項(xiàng)研究的核心創(chuàng)新之處。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來了一個(gè)意外：理論模型預(yù)測，這個(gè)分子應(yīng)該以兩種能量相近的結(jié)構(gòu)形式同時(shí)存在，出現(xiàn)概率大致相當(dāng)。但紅外光譜給出的答案非常清晰，這個(gè)分子只有一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，不存在所謂的"兩種形式并存"。

這個(gè)唯一的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，包含三個(gè)氫鍵，并擁有一個(gè)作為共享氫鍵受體的氧原子。這種排列方式使得整個(gè)分子呈現(xiàn)出相對剛性的構(gòu)型，質(zhì)子要從這個(gè)起點(diǎn)"出發(fā)"跳躍到下一個(gè)分子，需要越過一個(gè)相當(dāng)高的能量壁壘。

研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這種三氫鍵加共享氧原子的結(jié)構(gòu)模式，在其他含磷酸簇的分子體系中也普遍存在，這暗示它可能是磷酸類分子家族中一種具有普遍意義的氫鍵排列偏好。

這項(xiàng)發(fā)表于《物理化學(xué)雜志A》的研究，打開了兩個(gè)層面的新可能。其一，它為改進(jìn)用于模擬含磷酸鹽分子體系的量子化學(xué)計(jì)算方法提供了實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)，現(xiàn)有的理論模型在預(yù)測這類結(jié)構(gòu)時(shí)存在誤差，而精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正是校正這些誤差所必需的。其二，理解質(zhì)子穿梭起點(diǎn)的精確結(jié)構(gòu)，有助于科學(xué)家設(shè)計(jì)出傳導(dǎo)效率更高的人工質(zhì)子導(dǎo)體材料，這對下一代燃料電池和生物電子器件的開發(fā)，具有直接的工程價(jià)值。

一個(gè)冰封在接近絕對零度的微小分子，揭開了生命電路最深處的一個(gè)秘密。

信息來源：https://scitechdaily.com/scientists-uncover-the-secret-structure-behind-natures-proton-highway/

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