Waterijs is een van de meest voorkomende vaste stoffen in de natuur en gehydrateerde protonen op ijsoppervlakken hebben een kritische invloed op de fysische en chemische eigenschappen van ijs. Gehydrateerde protonen worden gemakkelijk gedoteerd in de waterstofbrugnetwerken (HB) wanneer zure onzuiverheden aanwezig zijn. In tegenstelling tot, in zuiver water moleculaire systemen, ze worden uitsluitend gegenereerd door de thermische ionisatie van watermoleculen (H ₂ O⇆H ⁺ _hyd + OH ^- _hyd ). Daarom, de protonactiviteit die inherent is aan waterijs wordt bepaald door de hoeveelheid en mobiliteit van gehydrateerde protonen die zijn afgeleid van de auto-ionisatie (Figuur 1).

Er zijn uitvoerige besprekingen gevoerd, nog niet geregeld, of de activiteit van gehydrateerde protonen aanzienlijk is verbeterd aan het oppervlak van waterijs. Dit is van cruciaal belang voor het begrijpen van de impact van ijsoppervlakken die alomtegenwoordig in de natuur zijn op een breed scala aan heterogene verschijnselen, zoals het genereren van lading, scheiding en gevangenschap in een onweersbui, fotochemische vernietiging van de ozonlaag van de aarde, en zelfs de moleculaire evolutie in de ruimte, enzovoort.

Zeer onlangs, onderzoekers onder leiding van Toshiki Sugimoto, Universitair hoofddocent aan het Instituut voor Moleculaire Wetenschappen, is erin geslaagd om direct en kwantitatief aan te tonen dat protonactiviteit aanzienlijk wordt verbeterd aan de oppervlakken van ijs bij lage temperatuur. Op basis van gelijktijdige experimentele waarneming van de H/D isotopische uitwisseling van watermoleculen aan het oppervlak en in het binnenste van dubbellaagse kristallijne ijsfilms samengesteld uit H ₂ O en D ₂ O (Figuur 2), ze rapporteerden drie belangrijke ontdekkingen van de unieke verbetering van protonactiviteit aan het oppervlak:(1) protonactiviteit bewezen door de H/D-uitwisseling (Figuur 1) aan het bovenste oppervlak is minstens drie ordes van grootte hoger dan in het binnenste, zelfs onder 160 K; (2) verhoogde protonactiviteit wordt gedomineerd door het auto-ionisatieproces van watermoleculen in plaats van het protonoverdrachtsproces aan het ijsoppervlak; (3) als gevolg van aan het oppervlak bevorderde auto-ionisatie, de concentratie van aan het oppervlak gehydrateerde protonen wordt geschat op meer dan zes ordes van grootte hoger dan die in de bulk.

Door deze resultaten te correleren met de structuur en dynamiek op moleculair niveau van het ijsoppervlak bij lage temperatuur, ze bespraken dat de coöperatieve structurele fluctuaties toegestaan ​​in de ondergecoördineerde oppervlaktemoleculen (Figuur 3) maar geremd in de volledig gecoördineerde inwendige moleculen de auto-ionisatie vergemakkelijken en de protonactiviteit op het ijsoppervlak domineren. Omdat de ondergrens van de temperatuur van de atmosfeer van de aarde ~120 K is rond de mesopauze, het oppervlak van kristallijn ijs op aarde is waarschijnlijk niet solide geordend, maar zou onvermijdelijk sterk fluctueren. In de natuur, dergelijke dynamische kenmerken vergemakkelijken de auto-ionisatie van watermoleculen en versterken zo de protonactiviteit aan het oppervlak van kristallijn ijs. "Onze resultaten bevorderen niet alleen de fysische chemie van grensvlakwaterstofbindingen, maar bieden ook een stevige basis voor het ophelderen van de belangrijkste eigenschappen van ijsoppervlakken die van groot belang zijn in een verscheidenheid aan verschijnselen die relevant zijn voor de dynamiek van gehydrateerde protonen, ' zegt Sugimoto.