l'H ⁺ il protone è costituito da un singolo ione di idrogeno, il più piccolo e leggero di tutti gli elementi chimici. Questi protoni si trovano naturalmente in acqua dove una piccola percentuale di H ₂ Le molecole di O si separano spontaneamente. La loro quantità in un liquido determina se la soluzione è acida o basica. I protoni sono anche estremamente mobili, muoversi attraverso l'acqua saltando da una molecola d'acqua all'altra.

Trasporto di protoni alle interfacce acqua-solido

Il modo in cui funziona questo processo di trasporto in un corpo idrico è relativamente ben compreso. Ma la presenza di una superficie solida può influenzare notevolmente il comportamento dei protoni, e gli scienziati attualmente dispongono di pochissimi strumenti per misurare questi movimenti nelle interfacce acqua-solido. In questo nuovo studio, Jean Comtet, un ricercatore post-dottorato presso la School of Engineering (STI) dell'EPFL, ha fornito il primo assaggio in assoluto del comportamento dei protoni quando l'acqua entra in contatto con una superficie solida, scendendo alla scala finale di singolo protone e singola carica. Le sue scoperte, pubblicato sulla rivista Nanotecnologia della natura , rivelano che i protoni tendono a muoversi lungo l'interfaccia tra questi due mezzi. Lo studio ha beneficiato dell'aiuto di ricercatori del Dipartimento di Chimica dell'École Normale Supérieure (ENS) di Parigi che hanno effettuato simulazioni.

Difetti cristallini

Comtet ha studiato l'interfaccia tra l'acqua e un cristallo di nitruro di boro, un materiale estremamente liscio. "La superficie del cristallo può contenere difetti, " dice Comtet. "Abbiamo scoperto che queste imperfezioni agiscono come indicatori, riemettono luce quando un protone si lega a loro." Usando un microscopio a super risoluzione, è stato in grado di osservare questi segnali di fluorescenza e misurare la posizione dei difetti entro circa 10 nanometri, un grado di precisione incredibilmente elevato. Ancora più interessante, lo studio ha rivelato nuove intuizioni sul modo in cui vengono attivati ​​i difetti cristallini. "Abbiamo osservato dei difetti sulla superficie del cristallo che si accendevano uno dopo l'altro quando venivano a contatto con l'acqua, " aggiunge Comtet. "Ci siamo resi conto che questo schema di illuminazione è stato prodotto da un singolo protone che salta da un difetto all'altro, generando un percorso identificabile."

Un importante passo avanti sperimentale

Uno dei risultati chiave dello studio è che i protoni tendono a muoversi lungo l'interfaccia acqua-solido. "I protoni continuano a muoversi, ma abbracciando la superficie del solido, " spiega Comtet. "Ecco perché vediamo questo tipo di schemi." Aleksandra Radenovic, professore presso il Laboratorio di biologia su nanoscala dell'EPFL (LBEN), aggiunge:"Si tratta di un importante passo avanti sperimentale che favorisce la nostra comprensione di come le cariche nell'acqua interagiscono con le superfici solide".

"Le nostre osservazioni, in questo specifico contesto, può essere facilmente estrapolato ad altri materiali e ambienti, " dice Comtet. "Queste scoperte potrebbero avere importanti implicazioni in molti altri campi e discipline, dalla comprensione dei processi biologici nell'interfaccia cellula-membrana alla progettazione di filtri e batterie più efficienti.