質子在水中的輸運是酸-堿化學、生物化學、生產能源等領域的關鍵問題但是有關質子輸送問題的相關研究非常困難。最近人們發現能夠通過非線性振動光譜表征技術理解質子輸運模型。
有鑒于此，巴黎文理研究大學（PSL）Damien Laage等報道使用振動光譜計算和神經網絡分子動力學模擬，考慮了所有原子核的量子效應，研究質子的輸運機理。
本文要點
（1）
理論計算模擬的結果發現兩種穩定的質子結構，這種質子結構分別具有Eigen氫鍵和Zundel氫鍵結構。
（2）
質子的輸送包括三步，其中含有兩個連續的氫鍵交換步驟，首先減少質子-水分子之間的氫鍵數目，實現質子轉移；隨后快速的增加質子-水分子氫鍵數目，并且防止質子的回傳，這個步驟是質子傳輸的決速步。
實驗表征結果與這種分步機理是一致，這種機理能夠解釋實驗測試發現質子擴散的低活化能以及較久的中間體壽命。這些研究結果對于理解生物化學和技術系統的質子傳輸動力學。
參考文獻
Gomez, A., Thompson, W.H. & Laage, D. Neural-network-based molecular dynamics simulations reveal that proton transport in water is doubly gated by sequential hydrogen-bond exchange. Nat. Chem. (2024).
DOI: 10.1038/s41557-024-01593-y
https://www.nature.com/articles/s41557-024-01593-y
