Den H ⁺ proton består av en enda jon av väte, den minsta och lättaste av alla kemiska grundämnen. Dessa protoner förekommer naturligt i vatten där en liten andel av H ₂ O-molekyler separeras spontant. Deras mängd i en vätska avgör om lösningen är sur eller basisk. Protoner är också extremt rörliga, röra sig genom vatten genom att hoppa från en vattenmolekyl till en annan.

Protontransport vid vatten-fasta gränssnitt

Hur denna transportprocess fungerar i en vattenförekomst är relativt väl förstått. Men närvaron av en fast yta kan dramatiskt påverka hur protoner beter sig, och forskare har för närvarande mycket lite i vägen av verktyg för att mäta dessa rörelser vid vattenfasta gränssnitt. I denna nya studie, Jean Comtet, en postdoktor vid EPFL:s School of Engineering (STI), har gett den första glimten någonsin av protonernas beteende när vatten kommer i kontakt med en fast yta, går ner till den ultimata skalan av en proton och en laddning. Hans fynd, publiceras i tidskriften Naturens nanoteknik , avslöjar att protoner tenderar att röra sig längs gränssnittet mellan dessa två medier. Studien fick hjälp av forskare från Institutionen för kemi vid École Normale Supérieure (ENS) i Paris som genomförde simuleringar.

Kristallina defekter

Comtet studerade gränsytan mellan vatten och en kristall av bornitrid, ett extremt slätt material. "Kristallens yta kan innehålla defekter, " säger Comtet. "Vi fann att dessa ofullkomligheter fungerar som markörer, återutsänder ljus när en proton binder till dem." Med hjälp av ett superupplöst mikroskop, han kunde observera dessa fluorescenssignaler och mäta defekternas position inom cirka 10 nanometer – en otroligt hög grad av precision. Ännu mer intressant, studien avslöjade nya insikter i hur kristallina defekter aktiveras. "Vi observerade defekter på kristallens yta som lyser upp en efter en när de kom i kontakt med vatten, ", tillägger Comtet. "Vi insåg att detta ljusmönster skapades av en enda proton som hoppade från defekt till defekt, genererar en identifierbar väg."

Ett stort experimentellt genombrott

En av de viktigaste resultaten av studien är att protoner tenderar att röra sig längs gränsytan mellan vatten och fast material. "Protonerna fortsätter att röra sig, men kramar ytan av det fasta, " förklarar Comtet. "Det är därför vi ser den här typen av mönster." Aleksandra Radenovic, professor vid EPFL:s Laboratory of Nanoscale Biology (LBEN), tillägger:"Detta är ett stort experimentellt genombrott som främjar vår förståelse av hur laddningar i vatten interagerar med fasta ytor."

"Våra observationer, i detta specifika sammanhang, kan enkelt extrapoleras till andra material och miljöer, " säger Comtet. "Dessa upptäckter kan ha viktiga konsekvenser inom många andra områden och discipliner, från att förstå biologiska processer vid cell-membrangränssnittet till att designa effektivare filter och batterier.