冻到接近绝对零度，科学家终于看清了生命电路最核心的那个分子

每时每刻，你的身体里都有数以亿计的质子在奔跑。这些带正电荷的粒子穿越细胞膜、驱动能量转换、参与DNA的信号传递，构成了生命运转最底层的电气系统。而在这场奔跑中，磷酸分子扮演着不可或缺的"高速公路"角色。

问题是，这条高速公路的基础结构，人类此前从未真正看清楚过。

质子是怎么"跑"起来的？

要理解这项研究的意义，首先得明白质子传输是怎么一回事。

磷酸及其相关磷酸盐化合物，是自然界中分布最广泛的分子之一。它们构成DNA和RNA骨架，参与细胞膜的结构搭建，是ATP储存和释放能量的核心组件。在技术领域，磷酸被用于燃料电池，是高温质子交换膜燃料电池的核心电解质材料。

磷酸之所以在这些领域不可替代，根本原因在于它异常出色的质子传导能力。质子不是通过线缆式的物理连接从一端传到另一端，而是沿着磷酸分子之间的氢键网络，像接力赛一样从一个分子"跳跃"到下一个分子，这个过程被称为"质子穿梭"。电荷传递的速度极快，效率极高。

但这条"高速公路"的起点在哪里？分子层面的第一步究竟长什么样？这个问题在科学界悬而未决了相当长的时间。

此前的研究已经指出，一种名为去质子化磷酸二聚体、化学式为H₃PO₄·H₂PO₄⁻的带负电荷分子复合物，可能就是质子穿梭序列的起始点。但要看清楚这个分子的精确结构，挡在科学家面前的障碍是热运动：在常温条件下，分子持续振动，结构特征模糊不清，无法精确测量。

把分子冻到距绝对零度只差0.37℃

弗里茨·哈伯研究所分子物理系的研究团队，联合德国莱比锡大学和美国合作者，找到了解决这个问题的办法：把这个分子冷到极致，让它几乎完全停止振动，再用红外光去照。

具体做法是将目标分子嵌入氦纳米液滴中，这是一种极其微小的液态氦小球，能在超低温条件下包裹住单个分子，将其温度降至仅比绝对零度高0.37摄氏度，也就是约零下272.78摄氏度。在这个温度下，热运动几乎完全消失，分子被"冻结"在其最稳定的构型上。随后，研究人员用红外辐射照射这个被冷冻的复合物，通过分析分子对不同频率红外光的吸收特征，推导出其精确的化学键排列和空间结构。

这套方法被称为低温振动光谱技术，此前已在多个领域被证明是解析复杂分子结构的有力工具。但将其应用于磷酸去质子化二聚体这个特定目标，并将实验结果与量子化学理论计算进行系统比对，是这项研究的核心创新之处。

实验结果带来了一个意外：理论模型预测，这个分子应该以两种能量相近的结构形式同时存在，出现概率大致相当。但红外光谱给出的答案非常清晰，这个分子只有一种稳定结构，不存在所谓的"两种形式并存"。

这个唯一的稳定结构，包含三个氢键，并拥有一个作为共享氢键受体的氧原子。这种排列方式使得整个分子呈现出相对刚性的构型，质子要从这个起点"出发"跳跃到下一个分子，需要越过一个相当高的能量壁垒。

研究人员进一步发现，这种三氢键加共享氧原子的结构模式，在其他含磷酸簇的分子体系中也普遍存在，这暗示它可能是磷酸类分子家族中一种具有普遍意义的氢键排列偏好。

这项发表于《物理化学杂志A》的研究，打开了两个层面的新可能。其一，它为改进用于模拟含磷酸盐分子体系的量子化学计算方法提供了实验基准，现有的理论模型在预测这类结构时存在误差，而精确的实验数据正是校正这些误差所必需的。其二，理解质子穿梭起点的精确结构，有助于科学家设计出传导效率更高的人工质子导体材料，这对下一代燃料电池和生物电子器件的开发，具有直接的工程价值。

一个冰封在接近绝对零度的微小分子，揭开了生命电路最深处的一个秘密。

信息来源：https://scitechdaily.com/scientists-uncover-the-secret-structure-behind-natures-proton-highway/

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