磷酸（H₃PO₄）及其相关化合物在生命系统中无处不在，是DNA、RNA和细胞膜的关键成分，也是细胞能量货币ATP的核心。这些分子在质子（正电荷）传输方面发挥着重要作用，不仅在生物学中至关重要，还在电池和燃料电池等技术领域广泛应用。

质子穿梭机制解析

质子在含磷酸盐的材料中并非自由移动，而是通过氢键网络从一个分子跳到另一个分子，这一过程称为“质子穿梭”，能够实现快速的电荷传输。尽管质子穿梭现象已为人所知，但其分子层面的细节长期以来并不明确。

弗里茨·哈伯研究所分子物理系的研究团队与莱比锡和美国的合作者共同聚焦于去质子化磷酸二聚体（H₃PO₄·H₂PO₄^-）的结构，旨在揭示质子转移的初始步骤。

极低温条件下的高精度分析

研究团队将该分子冷却至接近绝对零度（0.37 K），通过氦纳米液滴技术消除热干扰，并利用红外光谱结合量子化学计算对其结构进行高精度分析。

单一稳定结构的发现

实验结果显示，该二聚体仅以一种稳定结构存在，而非理论预测的两类构型。该结构通过共享氧原子形成三个氢键，呈现刚性特征，且存在较高的质子迁移势垒。这种键合模式在多种磷酸簇中普遍存在，暗示其可能为质子传输的通用结构基础。

科学意义与应用前景

此发现不仅阐明了磷酸分子作为“质子高速公路”的分子机制，还为改进量子化学模型提供了关键数据。同时，该研究有望指导设计高效质子传导材料，推动燃料电池等能源技术的发展，并加深对生物系统中电荷转移机制的理解。

Journal Reference:

1. Torres-Boy AY, Han J, Prabhu GRD, et al. Cryogenic Vibrational Spectroscopy of the Deprotonated Dimer of Phosphoric Acid. The Journal of Physical Chemistry A, 2025; 130(5):993. DOI: 10.1021/acs.jpca.5c06704