Two co-existing and opposing mechanisms of proton transfer in one-dimensional open-end water chains

质子 化学 化学物理 离子 工作(物理) 限制 反离子 链条(单位) 质子输运 热力学 物理 有机化学 机械工程 生物化学 量子力学 天文 工程类
作者
Xinrui Yang,Famin Yu,Lu Wang,Rui Liu,Yue Xin,Rui Li,Yulei Shi,Zhigang Wang
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:160 (19) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0204275
摘要

The proton transport in one-dimensional (1D) confined water chains has been extensively studied as a model for ion channels in cell membrane and fuel cell. However, the mechanistic understanding of the proton transfer (PT) process in 1D water chains remains incomplete. In this study, we demonstrate that the two limiting structures of the hydrated excess proton, H5O2+ (Zundel) and H3O+ (linear H7O3+), undergo a change in dominance as the water chain grows, causing two co-existing and opposing PT mechanisms. Specifically, H5O2+ is stable in the middle of the chain, whereas H3O+ serves as a transition state (TS). Except for this region, H3O+ is stabilized while H5O2+ serves as a TS. The interaction analysis shows that the electrostatic interaction plays a crucial role in the difference in PT mechanisms. Our work fills a knowledge gap between the various PT mechanisms reported in bulk water and long 1D water chains, contributing to a deeper understanding of biological ion channels at the atomic level.
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