كشف باحثون ألمان باستخدام تقنيات الطيفية منخفضة الحرارة عن آلية نقل البروتون في الفوسفوريك أسيد على المستوى الجزيئي، وهذا الاكتشاف له أهمية كبيرة في فهم تحويل الطاقة الحيوية وتحسين تقنيات خلايا الوقود.
يوجد حمض الفوسفوريك (H₃PO₄) ومشتقاته على نطاق واسع في الطبيعة، فهو مكون أساسي في الحمض النووي DNA والريبي RNA وأغشية الخلايا، كما أنه جزء رئيسي من حامل الطاقة الحيوية ATP. في التطبيقات التقنية، يُستخدم حمض الفوسفوريك على نطاق واسع في أنواع معينة من البطاريات وخلايا الوقود بفضل قدرته العالية جداً على نقل البروتون.
تعاون باحثو قسم الفيزياء الجزيئية في معهد فريتز هابر التابع لجمعية ماكس بلانك الألمانية مع زملائهم من الولايات المتحدة ولايبزيغ في إجراء بحث معمق حول آلية نقل البروتون في المركبات الفوسفورية. يشبه نقل البروتون في المركبات التي تحتوي على الفوسفور ركوب الركاب للحافلة، حيث يقفز البروتون من جزيء إلى آخر عبر روابط هيدروجينية كمسارات. يُعرف هذا الآلية بـ"نقل البروتون" (proton shuttling) الذي يحقق نقل الشحنة بسرعة.
لاستكشاف التفاصيل الدقيقة لهذه العملية، ركز فريق البحث على المادة الرئيسية التي قد تكون نقطة بداية لتفاعل تسلسلي لنقل البروتون، وهي الديمر المفقود للبروتون H₃PO₄·H₂PO₄⁻. أعد الباحثون هذا الجزيء في المختبر ودرسوه باستخدام تقنيات الطيفية منخفضة الحرارة. وضعوا الجزيئات في قطرات نانوية من الهيليوم لتبريدها إلى درجة حرارة قريبة جداً من الصفر المطلق (فقط 0.37 درجة فوق الصفر المطلق)، ثم استخدموا الإشعاع تحت الأحمر لتحليل هيكلها. تسمح هذه الطريقة التبريد الشديد باستبعاد عوامل التداخل بشكل فعال وتحقيق تحليل هيكلي دقيق للغاية.
أظهرت النتائج أن من بين الهيكلين المحتملين اللذين تنبأت بهما الحسابات النظرية، يوجد هيكل واحد مستقر فقط. يتميز هذا الهيكل الحقيقي بثلاث روابط هيدروجينية وذرة أكسجين مشتركة كمستقبل، مما يجعله نسبياً صلباً، ويرفع حاجز الطاقة اللازم لنقل البروتون. لوحظت طريقة التنسيق المشابهة في دراسات سابقة على مجموعات أخرى تحتوي على فوسفات، مما يشير إلى أن نمط الروابط الهيدروجينية هذا قد يكون شائعاً في أنظمة مشابهة.
توفر هذه النتائج أساساً جزيئياً لفهم قدرة حمض الفوسفوريك على نقل البروتون، وتساعد في توضيح آليات نقل البروتون في الأنظمة التي تحتوي على فوسفات. كما تؤكد الدراسة أهمية الطرق التجريبية في تحديد الهياكل الجزيئية بدقة، وتفتح طرقاً جديدة لتصميم مواد نقل بروتون أكثر كفاءة.
