Trong cơ thể sống, vô số điện tích liên tục di chuyển để duy trì các hoạt động thiết yếu như liên lạc giữa tế bào, chuyển đổi năng lượng và trao đổi chất. Sự vận chuyển có kiểm soát của các hạt mang điện qua màng tế bào và trong môi trường nội bào được xem là một hệ thống điều tiết cơ bản của sự sống. Axit phosphoric (H₃PO₄) và các hợp chất phosphate liên quan xuất hiện rộng rãi trong sinh vật sống, góp phần tạo nên cấu trúc DNA, RNA, màng tế bào và ATP – phân tử lưu trữ năng lượng của tế bào. Đặc biệt, chúng có vai trò quan trọng trong việc vận chuyển proton.

Ngoài lĩnh vực sinh học, axit phosphoric còn được ứng dụng trong pin và pin nhiên liệu nhờ khả năng dẫn proton rất cao. Trong các vật liệu chứa phosphate, proton có thể di chuyển theo cơ chế “truyền proton”, tức là nhảy từ phân tử này sang phân tử khác thông qua mạng lưới liên kết hydro. Cơ chế này cho phép điện tích lan truyền với tốc độ lớn, tạo nền tảng cho nhiều phản ứng hóa học và công nghệ năng lượng.

Hình scitechdaily.com

Dù cơ chế tổng thể đã được biết đến từ lâu, nhiều chi tiết phân tử vẫn chưa được làm rõ. Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học tập trung vào một phức hợp quan trọng của axit phosphoric mang điện tích âm – dimer bị khử proton H₃PO₄·H₂PO₄⁻ – được xem là điểm khởi đầu của quá trình vận chuyển proton. Để quan sát chính xác cấu trúc của phân tử này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra nó trong phòng thí nghiệm và làm lạnh xuống chỉ 0,37 độ trên mức không tuyệt đối bằng cách “nhốt” trong một giọt nano helium. Sau đó, họ sử dụng bức xạ hồng ngoại để phân tích cấu trúc phân tử với độ chính xác cao.

Kết quả cho thấy, trái với dự đoán trước đó rằng có thể tồn tại hai dạng cấu trúc khác nhau, dimer axit phosphoric thực tế chỉ tồn tại ở một cấu trúc ổn định duy nhất. Cấu trúc này tương đối cứng, có ba liên kết hydro và một nguyên tử oxy chung đóng vai trò “nhận” proton, tạo ra rào cản năng lượng đáng kể đối với quá trình truyền proton. Những sắp xếp tương tự cũng được ghi nhận trong các cụm phân tử chứa phosphate khác, cho thấy mô hình liên kết hydro này có thể phổ biến.

Phát hiện mới không chỉ làm sáng tỏ nền tảng phân tử của khả năng dẫn proton vượt trội mà còn cung cấp dữ liệu quan trọng để cải thiện các mô hình hóa học lượng tử. Về lâu dài, hiểu biết này có thể hỗ trợ phát triển vật liệu dẫn proton hiệu quả hơn cho công nghệ năng lượng sạch, đồng thời giúp giải thích sâu hơn cách các quá trình sinh học quan trọng được điều khiển ở cấp độ phân tử.

nttvy (https://scitechdaily.com/)