Quando l'acqua è presente in piccole quantità – molto meno che in questa gocciolina – sviluppa proprietà speciali. Credito: RUB, Marquard
Protoni (H + ) e ioni idronio (H 3 oh + ) in soluzioni acquose libere sembrano migrare più velocemente di altri ioni a causa del meccanismo di Grotthuss. I singoli protoni non migrano affatto. Anziché, i legami degli ioni idronio si rompono e si formano nuovi legami con altre molecole d'acqua, in modo che il singolo protone non migri. Piuttosto le cariche vengono trasportate direttamente da una molecola d'acqua all'altra. Questo processo è più veloce della diffusione di uno ione attraverso la soluzione.
Comportamento in spazi ristretti inesplorati
Finora, molti studi hanno studiato il trasporto di protoni in soluzione acquosa libera. "Nella vita reale tali condizioni sono relativamente rare, "dice la professoressa Martina Havenith, relatore di RESOLV e autore dello studio. "La maggior parte dei processi di trasporto dei protoni avviene effettivamente in spazi ristretti o in nanopori". Gli ioni idronio sono coinvolti nella definizione del valore del pH. Fino ad ora, l'effetto della reclusione non è stato ancora completamente compreso.
Per cambiarlo, ricercatori di Bochum e Berkeley hanno combinato metodi teorici e sperimentali. Hanno creato minuscole pozze d'acqua, le cui dimensioni potevano essere controllate con precisione. Non appena il diametro delle goccioline diventa inferiore a due nanometri, il meccanismo di trasporto del protone nell'esperimento e nelle simulazioni è cambiato bruscamente. "Sotto i due nanometri la migrazione dei protoni è limitata dagli effetti di confinamento. Questo effetto si riduce quando la pozza d'acqua viene ingrandita, " spiega Martina Havenith. "Sorprendentemente abbiamo scoperto che al di sopra dei due nanometri, dove è possibile la formazione di ioni idronio, c'è un ingorgo di protoni." Il protone è bloccato in uno stato oscillatorio, dove rimbalza avanti e indietro lungo la superficie della pozza d'acqua, ma non fa progressi, con conseguente conducibilità che non aumenta ulteriormente, come originariamente previsto.
Cortocircuito nella rete del legame idrogeno
Oltre alle dimensioni delle piscine, la concentrazione di acido influenza anche il comportamento di migrazione dei protoni. Quando il team di ricerca ha aumentato il contenuto di acido, hanno creato un tipo di cortocircuito nella rete di legami idrogeno della gocciolina, in modo che il protone non migrasse più dalla sua posizione, ma piuttosto in pausa in uno stato di rimbalzo oscillatorio. "Ciò ha conseguenze per ogni sistema che si basa sul trasporto di protoni, perché le dimensioni del sistema o la concentrazione di protoni possono portare a un ingorgo e ad esempio interrompere il processo di segnalazione, " conclude Havenith.
