Il ghiaccio d'acqua è una delle sostanze solide più abbondanti in natura e i protoni idrati sulle superfici del ghiaccio influenzano in modo critico le proprietà fisiche e chimiche del ghiaccio. I protoni idrati vengono facilmente drogati nelle reti di legami idrogeno (HB) quando sono presenti impurità acide. In contrasto, nei sistemi molecolari di acqua pura, sono generati esclusivamente dalla ionizzazione termica delle molecole d'acqua (H ₂ O⇆H ⁺ _hyd + OH ^- _hyd ). Perciò, l'attività protonica inerente al ghiaccio d'acqua è determinata dalla quantità e dalla mobilità dei protoni idrati derivati ​​dall'autoionizzazione (Figura 1).

Sono state fatte molte discussioni, ancora non è stato risolto, sul fatto che l'attività dei protoni idrati sia sostanzialmente migliorata sulla superficie del ghiaccio d'acqua. Questo è un problema di cruciale importanza per comprendere l'impatto delle superfici di ghiaccio onnipresenti in natura su un'ampia varietà di fenomeni eterogenei, come la generazione di carica, separazione e intrappolamento in un temporale, distruzione fotochimica dello strato di ozono terrestre, e anche l'evoluzione molecolare nello spazio, eccetera.

Molto recentemente, ricercatori guidati da Toshiki Sugimoto, Professore Associato presso l'Istituto di Scienze Molecolari, è riuscito a dimostrare direttamente e quantitativamente che l'attività dei protoni è significativamente aumentata sulle superfici del ghiaccio a bassa temperatura. Sulla base dell'osservazione sperimentale simultanea dello scambio isotopico H/D delle molecole d'acqua sulla superficie e all'interno di film di ghiaccio cristallino a doppio strato composti da H ₂ O e D ₂ O (Figura 2), hanno riportato tre importanti scoperte sull'esclusivo potenziamento dell'attività protonica superficiale:(1) l'attività protonica dimostrata dallo scambio H/D (Figura 1) nella superficie più alta è almeno tre ordini di grandezza superiore rispetto all'interno, anche sotto i 160 K; (2) l'attività protonica potenziata è dominata dal processo di autoionizzazione delle molecole d'acqua piuttosto che dal processo di trasferimento dei protoni sulla superficie del ghiaccio; (3) come conseguenza dell'autoionizzazione promossa dalla superficie, la concentrazione di protoni idratati in superficie è stimata essere più di sei ordini di grandezza superiore a quella nella massa.

Correlando questi risultati con la struttura a livello molecolare e la dinamica della superficie del ghiaccio a bassa temperatura, hanno discusso che le fluttuazioni strutturali cooperative consentite nelle molecole di superficie sottocoordinate (Figura 3) ma inibite nelle molecole interne completamente coordinate facilitano l'autoionizzazione e dominano l'attività protonica sulla superficie del ghiaccio. Poiché il limite inferiore della temperatura dell'atmosfera terrestre è ~120 K intorno alla mesopausa, è improbabile che la superficie del ghiaccio cristallino sulla terra sia solidamente ordinata, ma sarebbe inevitabilmente altamente fluttuante. In natura, tali caratteristiche dinamiche facilitano l'autoionizzazione delle molecole d'acqua e quindi migliorano l'attività protonica sulla superficie del ghiaccio cristallino. "I nostri risultati non solo fanno avanzare la chimica fisica dei legami idrogeno interfacciali, ma forniscono anche una solida base per chiarire le proprietà chiave delle superfici del ghiaccio che sono di grande interesse in una varietà di fenomeni rilevanti per la dinamica dei protoni idrati, "dice Sugimoto.