Vattenis är ett av de vanligaste fasta ämnena i naturen och hydratiserade protoner på isytor påverkar kritiskt isens fysikaliska och kemiska egenskaper. Hydraterade protoner doppas lätt in i vätebindningsnätverken (HB) när sura föroreningar är närvarande. I kontrast, i rena vattenmolekylära system, de genereras enbart av termisk jonisering av vattenmolekyler (H ₂ O⇆H ⁺ _hyd + OH ^- _hyd ). Därför, protonaktiviteten som är inneboende i vattenis bestäms av mängden och rörligheten av hydratiserade protoner som härrör från autojoniseringen (Figur 1).

Det har förts stora diskussioner, ännu inte avgjort, på huruvida aktiviteten hos hydratiserade protoner är väsentligt förhöjd på ytan av isvatten. Detta är ett avgörande problem för att förstå inverkan av isytor som finns överallt i naturen på en mängd olika heterogena fenomen, som laddningsgenerering, separation och fångst i ett åskväder, fotokemisk förstörelse av jordens ozonskikt, och till och med den molekylära utvecklingen i rymden, etc.

Väldigt nyligen, forskare ledda av Toshiki Sugimoto, Docent vid Institutet för molekylär vetenskap, lyckats direkt och kvantitativt visa att protonaktiviteten avsevärt förbättras på ytorna av lågtemperaturis. På basis av samtidig experimentell observation av H/D-isotoputbytet av vattenmolekyler vid ytan och i det inre av dubbelskiktiga kristallina isfilmer sammansatta av H ₂ O och D ₂ O (Figur 2), de rapporterade tre stora upptäckter av den unika förbättringen av ytprotonaktivitet:(1) protonaktivitet som bevisats av H/D-utbytet (Figur 1) på den översta ytan är minst tre storleksordningar högre än i det inre, även under 160 K; (2) ökad protonaktivitet domineras av autojoniseringsprocessen av vattenmolekyler snarare än protonöverföringsprocessen vid isytan; (3) som en konsekvens av ytbefrämjad autojonisering, koncentrationen av ythydratiserade protoner uppskattas vara mer än sex storleksordningar högre än den i bulken.

Korrelerar dessa resultat med struktur på molekylär nivå och dynamiken hos lågtemperaturisytan, de diskuterade att de samverkande strukturella fluktuationerna som tillåts i de underkoordinerade ytmolekylerna (Figur 3) men inhiberade i de fullt koordinerade inre molekylerna underlättar autojoniseringen och dominerar protonaktiviteten vid isytan. Eftersom den nedre temperaturgränsen för jordens atmosfär är ~120 K runt mesopausen, ytan av kristallin is på jorden är osannolikt att vara stabilt ordnad men skulle oundvikligen vara mycket fluktuerad. I naturen, sådana dynamiska egenskaper underlättar autojoniseringen av vattenmolekyler och ökar således protonaktiviteten vid ytan av kristallin is. "Våra resultat främjar inte bara den fysikaliska kemin för vätebindningar i gränssnitt utan ger också en fast grund för att klargöra nyckelegenskaperna hos isytor som är av stort intresse för en mängd olika fenomen som är relevanta för dynamiken hos hydratiserade protoner, säger Sugimoto.