Было проведено много дискуссий, но еще не решено, существенно ли усиливается активность гидратированных протонов на поверхности водяного льда. Это критически важная проблема для понимания влияния повсеместной по своей природе поверхности льда на широкий спектр гетерогенных явлений, таких как генерация заряда, разделение и захват во время грозы, фотохимическое разрушение озонового слоя Земли и даже молекулярная эволюция в космос и т. д.
Совсем недавно исследователям во главе с Тосики Сугимото, доцентом Института молекулярных наук, удалось прямо и количественно продемонстрировать, что активность протонов значительно усиливается на поверхности низкотемпературного льда. На основе одновременного экспериментального наблюдения изотопного обмена H / D молекул воды на поверхности и внутри двухслойных пленок кристаллического льда, состоящих из H2O и D2O, они сообщили о трех основных открытиях уникального усиления поверхностных протонов. активность: (1) активность протонов, подтвержденная обменом H / D на самой верхней поверхности, по крайней мере на три порядка выше, чем внутри, даже ниже 160 К; (2) в повышенной активности протонов преобладает процесс автоионизации молекул воды, а не процесс переноса протона на поверхности льда; (3) как следствие автоионизации, стимулированной поверхностью, концентрация поверхностных гидратированных протонов оценивается более чем на шесть порядков величины выше, чем в основной массе.
Сопоставляя эти результаты со структурой на молекулярном уровне и динамикой низкотемпературной поверхности льда, они обсудили, что кооперативные структурные флуктуации допускаются в недостаточно скоординированных поверхностных молекулах, но подавляются в полностью скоординированных внутренних молекулах, облегчают автоионизацию и доминируют над активностью протонов во льду. поверхность. Поскольку нижний предел температуры земной атмосферы составляет ~ 120 К вокруг мезопаузы, поверхность кристаллического льда на Земле вряд ли будет твердо упорядоченной, но неизбежно будет сильно колебаться.
В природе такие динамические свойства облегчают автоионизацию молекул воды и, таким образом, повышают активность протонов на поверхности кристаллического льда. «Наши результаты не только продвигают физическую химию межфазных водородных связей, но также обеспечивают прочную основу для выяснения ключевых свойств поверхности льда, которые представляют большой интерес в различных явлениях, имеющих отношение к динамике гидратированных протонов», – говорит Сугимото.