Присоединение протона к молекуле воды побуждает её к потере одного собственного протона не сразу, а лишь после некоторого периода ожидания, на протяжении которого можно говорить о наличии у неё сразу трёх протонов.

Протоны, а конкретнее — положительно заряженные ионы водорода, давно известны тем, что очень быстро передвигаются в воде, перескакивая от одной её молекулы к другой. Это одна из причин относительно высокой (аномальной для жидкости) проводимости воды и ряда иных её необычных свойств.

Принцип, лежащий в основе подвижности протона, считается известным уже два столетия и носит название механизма Гротгуса.

Он основан на предположении, что передача иона водорода по цепочке связанных водородными связями молекул воды идёт в несколько стадий («эстафетный» механизм), скорость же движения протонов определяется скоростью поляризации молекул растворителя.

Рис. 1. Модель сети водородных связей в жидкой воде (здесь и ниже иллюстрации Thomas D. Kühne).

В теории один протон стыкуется с молекулой воды и этим вынуждает другой протон покинуть эту молекулу и притом установить связь с другой, тем самым «вытесняя» один тамошний протон, после чего «эстафета» продолжается.

Как теперь заявляется группой европейских теоретиков во главе с Али Хассанали (Ali A. Hassanali) из Швейцарского технологического института в Цюрихе, такой взгляд на проблему — упрощение. Проведя компьютерное моделирование этих процессов на основе современных данных о воде, учёные пришли к выводу, что

общепринятая картина распространения протонов в воде, возможно, нуждается в пересмотре, поскольку сама передача протона от молекулы к молекуле происходит значительно быстрее, чем считалось. А затем вместо немедленного отделения от молекулы одного «туземного» протона наступает период «отдыха».

В этот момент у молекулы воды есть целых три протона вместо двух положенных. Как считают учёные, водородные связи между молекулами скорее похожи на конгломерат замкнутых колец. В итоге образуются протонные цепи, позволяющие затяжные протонные «прыжки» сразу через множество водородных связей. При этом сам процесс перемещения наступает только при достижении молекулами воды благоприятного энергетического уровня, после чего протон «прыгает» к другой молекуле.

Рис. 2. Контактная пара ионов, через которую передаётся протон.

По мнению исследователей,

понимание такого механизма не только улучшит осознание нами переноса протонов в растворителях типа той же воды, но и продвинет понимание таких важных биологических подсистем, как энзимы и макромолекулы.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.