Vědci nejpodrobněji dosud simulovali, jak voda řídí pohyb protonu

Mezinárodní tým vědců provedl dosud nejsložitější simulace svého druhu, které mají odhalit, jakým způsobem voda ovlivňuje pohyb protonů. Výzkum vede Institut fyzikální chemie Heidelberské univerzity v Německu, na projektu se dále podílejí odborníci z Cambridge ve Velké Británii, z Bochumi v Německu a z francouzského Dijonu.

Cílem spolupráce bylo přesně popsat chování protonu v prostředí vodních molekul – tedy jev, který je pro chemii i biologii klíčový, ale zároveň extrémně obtížně popsatelný na úrovni jednotlivých atomů. Voda totiž není pasivním prostředím, nýbrž aktivně se podílí na tom, jak se nabité částice v roztoku pohybují a jak rychle se mezi sebou přenášejí.

Vědci se pomocí rozsáhlých výpočetních simulací zaměřili na situaci, kdy je proton sdílen mezi šesti molekulami vody. Simulace ukázaly, že proton se neposouvá prostorem jako jediná, stále stejná částice, ale svým způsobem „skáče“ z jedné molekuly vody na druhou. Tento mechanismus je v chemii znám jako tzv. štafetový přenos protonu, kdy dochází k postupnému přeskupování vazeb mezi sousedícími molekulami vody, díky čemuž se kladný náboj efektivně přesouvá na velké vzdálenosti mnohem rychleji, než by odpovídalo běžné difuzi jediné částice.

Podle výzkumného týmu jde o dosud nejkomplexnější simulaci tohoto typu, jaká byla kdy provedena. Vysoká míra detailu a výpočetní náročnost byly nezbytné proto, aby modely dokázaly zachytit jemné kvantové jevy, které se na chování protonu ve vodě podílejí. Právě kvantová povaha protonu – tedy skutečnost, že se nechová čistě jako klasická částice, ale vykazuje i vlnové vlastnosti – činí jeho modelování mimořádně náročným úkolem, na němž se dlouhodobě podílejí týmy z několika zemí.

Spolupráce mezi Heidelbergem, Cambridge, Bochumí a Dijonem spojila teoretické i výpočetní kapacity několika pracovišť, což umožnilo simulace provést v takovém rozsahu a přesnosti, který by jednotlivé instituce samostatně jen obtížně zvládly. Výzkumníci se shodují, že přesné porozumění tomu, jak se proton pohybuje ve vodním prostředí, má zásadní význam nejen pro základní chemii, ale i pro obory, jako je biochemie či studium enzymatických reakcí, kde přenos protonů hraje důležitou roli.

Výsledky práce mají podle týmu přispět k hlubšímu pochopení mechanismů, které stojí za rychlým transportem náboje ve vodných roztocích – jevem, který je znám již dlouho, ale jehož přesný atomární popis byl dosud neúplný. Nové simulace nabízejí detailnější pohled na to, jak jednotlivé molekuly vody mezi sebou spolupracují při přenosu protonu, a mohou tak pomoci zpřesnit teoretické modely používané v chemii i příbuzných oborech.

Vědci zdůrazňují, že jde o významný krok směrem k lepšímu porozumění základním procesům probíhajícím ve vodě, která je nejrozšířenějším rozpouštědlem na Zemi a hraje klíčovou roli v nesčetných chemických i biologických dějích. Přesnější popis chování protonů by tak mohl mít dopad daleko za hranice čisté fyzikální chemie.