När vatten finns i små mängder – mycket mindre än i denna droppe – utvecklar det speciella egenskaper. Kredit: RUB, Marquard
Protoner (H + ) och hydroniumjoner (H 3 O + ) i fria vattenlösningar verkar migrera snabbare än andra joner på grund av Grotthuss-mekanismen. Enskilda protoner migrerar egentligen inte alls. Istället, bindningar av hydroniumjonerna bryts och nya bindningar till andra vattenmolekyler bildas, så att den enskilda protonen inte vandrar. Snarare transporteras laddningar direkt från en vattenmolekyl till nästa. Denna process är snabbare än diffusionen av en jon genom lösningen.
Beteende i trånga utrymmen outforskat
Än så länge, många studier har undersökt transporten av protoner i fri vattenlösning. "I verkliga livet är sådana tillstånd relativt sällsynta, säger professor Martina Havenith, talare för RESOLV och en författare till studien. "De flesta protontransportprocesser sker faktiskt i slutna utrymmen eller i nanoporer." Hydroniumjoner är involverade i att definiera pH-värdet. Tills nu, effekten av inneslutning har ännu inte helt förståtts.
För att ändra på det, forskare från Bochum och Berkeley kombinerade teoretiska och experimentella metoder. De skapade små vattenpooler, vars storlek kunde kontrolleras exakt. Så snart diametern på dropparna blev mindre än två nanometer, protontransportmekanismen i experimentet och simuleringarna förändrades abrupt. "Under två nanometer begränsas protonmigrationen av inneslutningseffekter. Denna effekt minskar när vattenpoolen förstoras, " förklarar Martina Havenith. "Vi fann överraskande att över två nanometer, där bildning av hydroniumjoner är möjlig, det finns en protontrafikstockning." Protonen har fastnat i ett oscillerande tillstånd, där den studsar fram och tillbaka längs vattenbassängens yta, men gör inga framsteg framåt, vilket resulterar i att konduktiviteten inte ökar ytterligare - som ursprungligen förväntats.
Kortslutning i det vätebindande nätverket
Förutom storleken på poolerna, syrakoncentrationen påverkar också protonmigreringsbeteendet. När forskargruppen ökade syrahalten, de skapade en typ av kortslutning i droppens vätebindningsnätverk, så att protonen inte längre migrerade från sin position, utan snarare pausad i oscillerande studsande tillstånd. "Det har konsekvenser för varje system som är beroende av protontransport, eftersom storleken på systemet eller protonkoncentrationen kan leda till trafikstockning och till exempel störa signaleringsprocessen, " avslutar Havenith.
