De H ⁺ proton bestaat uit een enkel ion van waterstof, de kleinste en lichtste van alle chemische elementen. Deze protonen komen van nature voor in water waar een klein deel van H ₂ O-moleculen gaan spontaan uit elkaar. Hun hoeveelheid in een vloeistof bepaalt of de oplossing zuur of basisch is. Protonen zijn ook extreem mobiel, door water bewegen door van het ene watermolecuul naar het andere te springen.

Protonentransport op water-vaste grensvlakken

De manier waarop dit transportproces in een waterlichaam werkt, is relatief goed begrepen. Maar de aanwezigheid van een vast oppervlak kan een dramatische invloed hebben op hoe protonen zich gedragen, en wetenschappers hebben momenteel heel weinig hulpmiddelen om deze bewegingen te meten op watervaste grensvlakken. In deze nieuwe studie Jean Comtet, een postdoctoraal onderzoeker aan EPFL's School of Engineering (STI), heeft de eerste glimp ooit opgeleverd van het gedrag van protonen wanneer water in contact komt met een vast oppervlak, naar de ultieme schaal van een enkel proton en een enkele lading. Zijn bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , onthullen dat protonen de neiging hebben om langs het grensvlak tussen deze twee media te bewegen. De studie profiteerde van de hulp van onderzoekers van de afdeling Scheikunde van de École Normale Supérieure (ENS) in Parijs die simulaties uitvoerden.

Kristallijne defecten

Comtet bestudeerde het grensvlak tussen water en een kristal van boornitride, een extreem glad materiaal. "Het oppervlak van het kristal kan defecten bevatten, " zegt Comtet. "We ontdekten dat deze onvolkomenheden als markeringen fungeren, licht uitzenden wanneer een proton eraan bindt." Met behulp van een superresolutiemicroscoop hij was in staat om deze fluorescentiesignalen te observeren en de positie van de defecten te meten tot op ongeveer 10 nanometer - een ongelooflijk hoge mate van precisie. Nog interessanter, de studie bracht nieuwe inzichten aan het licht in de manier waarop kristallijne defecten worden geactiveerd. "We zagen defecten aan het oppervlak van het kristal dat de een na de ander oplichtte toen ze in contact kwamen met water, " voegt Comtet toe. "We realiseerden ons dat dit verlichtingspatroon werd geproduceerd door een enkel proton dat van defect naar defect springt, het genereren van een identificeerbaar pad."

Een grote experimentele doorbraak

Een van de belangrijkste bevindingen van de studie is dat protonen de neiging hebben om langs het water-vaste grensvlak te bewegen. "De protonen blijven bewegen, maar het oppervlak van de vaste stof omhelzen, " legt Comtet uit. "Daarom zien we dit soort patronen." Aleksandra Radenovic, professor bij EPFL's Laboratory of Nanoscale Biology (LBEN), voegt toe:"Dit is een belangrijke experimentele doorbraak die ons begrip van de interactie van ladingen in water met vaste oppervlakken bevordert."

"Onze observaties, in deze specifieke context, kan gemakkelijk worden geëxtrapoleerd naar andere materialen en omgevingen, ", zegt Comtet. "Deze ontdekkingen kunnen belangrijke implicaties hebben op veel andere gebieden en disciplines, van het begrijpen van biologische processen op het celmembraan-interface tot het ontwerpen van efficiëntere filters en batterijen.