Hvordan indesluttede protoner migrerer

Protoner (H ⁺ ) og hydroniumioner (H ₃ O ⁺ ) i frie vandige opløsninger synes at migrere hurtigere end andre ioner på grund af Grotthuss-mekanismen. Individuelle protoner migrerer ikke rigtig overhovedet. I stedet, Hydronium-ionernes bindinger brydes og nye bindinger til andre vandmolekyler dannes, så den enkelte proton ikke migrerer. Ladninger transporteres snarere direkte fra det ene vandmolekyle til det næste. Denne proces er hurtigere end diffusionen af ​​en ion gennem opløsningen.

Opførsel i lukkede rum uudforsket

Indtil nu, mange undersøgelser har undersøgt transporten af ​​protoner i fri vandig opløsning. "I det virkelige liv er sådanne forhold relativt sjældne, " siger professor Martina Havenith, taler for RESOLV og en forfatter til undersøgelsen. "De fleste protontransportprocesser forekommer faktisk i lukkede rum eller i nanoporer." Hydroniumioner er involveret i at definere pH-værdien. Indtil nu, virkningen af ​​indeslutning er endnu ikke helt forstået.

For at ændre det, forskere fra Bochum og Berkeley kombinerede teoretiske og eksperimentelle metoder. De skabte små vandbassiner, hvis størrelse kunne kontrolleres præcist. Så snart dråbernes diameter blev mindre end to nanometer, protontransportmekanismen i eksperimentet og simuleringer ændrede sig brat. "Under to nanometer er protonmigrationen begrænset af indeslutningseffekter. Denne effekt reduceres, når vandbassinet forstørres, " forklarer Martina Havenith. "Overraskende nok fandt vi ud af, at over to nanometer, hvor dannelsen af ​​hydroniumioner er mulig, der er en proton trafikprop." Protonen sidder fast i en oscillerende tilstand, hvor den hopper frem og tilbage langs overfladen af ​​vandbassinet, men gør ingen fremskridt, hvilket resulterer i, at ledningsevnen ikke øges yderligere - som oprindeligt forventet.

Kortslutning i hydrogenbindingsnetværket

Ud over bassinernes størrelse, syrekoncentrationen påvirker også protonmigreringsadfærden. Da forskerholdet øgede syreindholdet, de skabte en type kortslutning i dråbens hydrogenbindingsnetværk, så protonen ikke længere migrerede fra sin position, men hellere holdt pause i oscillerende hoppende tilstand. "Det har konsekvenser for ethvert system, der er afhængig af protontransport, fordi systemets størrelse eller protonkoncentrationen kan føre til en trafikprop og for eksempel forstyrre signaleringsprocessen, " afslutter Havenith.