幾個世紀以來，有個問題始終困擾著科學家：質子在電場中如何精確地穿過水。現在，距上一次對這一現象給出重要理論解釋200多年後，科學家們對此有了一些更清晰的認識。
1806年，Theodor Grotthuss提出了一個假說——後來被稱為「質子跳躍」的 Grotthuss機制。
雖然Grotthuss的假說非常具有前瞻性——當時人們甚至還不知道質子和水的實際結構——現代研究人員早已清楚，Grotthuss假說並不完善。
最新發現可能通過澄清長期以來難以捉摸的水合質子的電子結構來解開謎團。
研究結果表明，質子搭乘3個水分子組成的「火車」在水中移動，在火車行駛時水分子會在前面建造「軌道」。
這個過程可以無限地在水中傳輸質子。據作者稱，雖然這個思想曾有人提出過，但新研究提出了一種不同的分子結構，更適合Grotthuss機制。
以色列內蓋夫本古里安大學的化學家 Ehud Pines說：「關於Grotthuss機制和水中質子溶劑化性質的爭論越來越激烈，因為這是化學中最基本的問題之一。」
這項新研究之所以引人注目，是因為它將理論方法與前沿技術所帶來的物理實驗技術的進步相結合。研究人員使用 X射線吸收光譜(XAS)實驗來監測質子電荷如何影響水中單個氧原子中的電子。
正如預測的那樣，對3分子的組合影響最大，儘管對三聚體簇內的每個單獨分子的影響程度不同。研究人員發現三個分子組與質子形成鏈。
研究人員還結合了量子水平的化學模擬和計算，以確定當質子在液體中移動時質子與相鄰水分子之間的相互作用。
「發現這種機制是純粹的科學探索，它推動了我們知識的邊界，改變了我們對自然界最重要的質量和電荷傳輸機制之一的基本理解。」
這一發現涉及許多其他化學過程，包括氫燃料電池中的光合作用、細胞呼吸和能量傳輸。
值得注意的不僅是解決方案，還有科學發現的過程——根據實驗結果測試和驗證理論，這是一個漫長而曲折的過程，從開始到結束花費了近20年。
「這個問題存在了超過200年，所以這對我來說是一個足夠大的挑戰，我決定接下它。」Pines說。「17年後，我很高興很可能已經找到並證明了新的物質定律。」
該研究已發表在 Angewandte Chemie國際版上。
