Unikke strukturelle udsving ved isoverfladen fremmer autoionisering af vandmolekyler

Vandis er et af de mest forekommende faste stoffer i naturen, og hydratiserede protoner på isoverflader påvirker kritisk isens fysiske og kemiske egenskaber. Hydrerede protoner dopes let ind i hydrogenbinding (HB) netværkene, når sure urenheder er til stede. I modsætning, i rent vandmolekylære systemer, de genereres udelukkende ved termisk ionisering af vandmolekyler (H ₂ Åh ⁺ _hyd + Åh ^- _hyd ). Derfor, protonaktiviteten, der er forbundet med vandis, bestemmes af mængden og mobiliteten af ​​hydratiserede protoner, der stammer fra autoioniseringen (figur 1).

Der er ført betydelige diskussioner, endnu ikke afgjort, om hvorvidt aktiviteten af ​​hydratiserede protoner øges væsentligt ved overfladen af ​​vandis. Dette er et afgørende problem for at forstå virkningen af ​​isoverflader, der er allestedsnærværende i naturen på en lang række heterogene fænomener, såsom opladning, adskillelse og fangst i tordenvejr, fotokemisk ødelæggelse af jordens ozonlag, og endda den molekylære udvikling i rummet, etc.

For nylig, forskere ledet af Toshiki Sugimoto, Lektor ved Institute for Molecular Science, lykkedes det direkte og kvantitativt at demonstrere, at protonaktivitet øges betydeligt ved overflader af lavtemperaturis. På grundlag af samtidig eksperimentel observation af H/D isotopisk udveksling af vandmolekyler på overfladen og i det indre af dobbeltlags krystallinsk isfilm sammensat af H ₂ O og D. ₂ O (figur 2), de rapporterede tre store opdagelser af den unikke forbedring af overfladeprotonaktivitet:(1) protonaktivitet bevist af H/D -udvekslingen (figur 1) på den øverste overflade er mindst tre størrelsesordener højere end i det indre, endda under 160 K; (2) forbedret protonaktivitet domineres af autoioniseringsprocessen af ​​vandmolekyler frem for protonoverførselsprocessen ved isoverfladen; (3) som en konsekvens af overfladefremmet autoionisering, koncentrationen af ​​overfladehydrerede protoner anslås at være mere end seks størrelsesordener højere end i bulk.

Korrelerer disse resultater med struktur på molekylært niveau og dynamik af lavtemperaturens isoverflade, de diskuterede, at de kooperative strukturelle udsving tillod i de underkoordinerede overflademolekyler (figur 3), men hæmmede i de fuldt koordinerede indre molekyler letter autoioniseringen og dominerer protonaktiviteten ved isoverfladen. Fordi den nedre temperaturgrænse for Jordens atmosfære er ~ 120 K omkring mesopausen, overfladen af ​​krystallinsk is på jorden vil usandsynligt blive ordnet solidt, men ville uundgåeligt være stærkt svingende. I naturen, sådanne dynamiske egenskaber letter autoioniseringen af ​​vandmolekyler og forbedrer således protonaktiviteten ved overfladen af ​​krystallinsk is. "Vores resultater fremmer ikke kun den fysiske kemi af grænsefladebrintbindinger, men giver også et fast grundlag for at belyse de centrale egenskaber ved isoverflader, der er af stor interesse for en række fænomener, der er relevante for dynamikken i hydrerede protoner, "siger Sugimoto.