Водород в молекуле иногда напоминает не шарик, а волну, которая может просочиться сквозь энергетический барьер, как призрак сквозь стену. Химики называют это туннелированием, и оно лежит в основе многих процессов — от работы ферментов до переноса заряда в материалах. Но как именно молекула находит путь для такого перехода? Долгое время мы видели лишь начальную и конечную точки, а сам маршрут оставался в тумане.

Новая работа предлагает карту этого невидимого маршрута. Учёные создали метод V-SHAKE, который, словно поводок, удерживает молекулу на «шве» — границе, где исходное и конечное состояния имеют одинаковую энергию. Раньше мы могли лишь угадывать, что происходит на этой границе, а теперь можем прогуляться по ней и рассмотреть каждый камень.

Метод применили к двум молекулам: 4-цианобутаноляту (CBO) и (Z)-4-гидроксибут-3-ен-2-ону (HEO). В каждой из них атом водорода может перепрыгнуть от одного атома кислорода к другому. Оказалось, что сила взаимодействия между состояниями — так называемая вибронная связь — не постоянна, а меняется в широких пределах. Она похожа на натяжение резинки, которое зависит от того, насколько растянута сама резинка.

Раньше теории скоростей туннельных реакций предполагали, что связь можно считать постоянной вблизи точки перехода. Новые данные показывают: для одной молекулы это приближение работает, для другой — нет. В CBO нашлись конфигурации с энергией, близкой к минимальной, но со значительно более сильной связью. Это значит, что молекула имеет больше свободы, чем мы думали.

И вот мы снова стоим на шве, но теперь с картой в руках. Водород скользит по нему, как танцор по натянутому канату, а мы наконец видим, какие движения помогают ему удержаться. Этот метод уже сейчас можно применять для проверки моделей туннельных реакций в химии и биологии, особенно при расчёте кинетических изотопных эффектов — чувствительного индикатора квантового поведения водорода.