Protonen (H ⁺ ) en hydroniumionen (H ₃ O ⁺ ) in vrije waterige oplossingen lijken sneller te migreren dan andere ionen vanwege het Grotthuss-mechanisme. Individuele protonen migreren helemaal niet echt. In plaats daarvan, bindingen van de hydroniumionen worden verbroken en nieuwe bindingen met andere watermoleculen worden gevormd, zodat het individuele proton niet migreert. In plaats daarvan worden ladingen rechtstreeks van het ene watermolecuul naar het andere getransporteerd. Dit proces is sneller dan de diffusie van een ion door de oplossing.

Gedrag in besloten ruimten onontgonnen

Tot dusver, veel studies hebben het transport van protonen in een vrije waterige oplossing onderzocht. "In het echte leven zijn dergelijke omstandigheden relatief zeldzaam, " zegt professor Martina Havenith, spreker van RESOLV en een auteur van de studie. "De meeste protonentransportprocessen vinden eigenlijk plaats in besloten ruimtes of in nanoporiën." Hydroniumionen zijn betrokken bij het bepalen van de pH-waarde. Tot nu toe, het effect van opsluiting is nog niet volledig begrepen.

Om dat te veranderen, onderzoekers uit Bochum en Berkeley combineerden theoretische en experimentele methoden. Ze creëerden kleine waterpoelen, waarvan de grootte nauwkeurig kon worden gecontroleerd. Zodra de diameter van de druppeltjes kleiner werd dan twee nanometer, het protontransportmechanisme in het experiment en de simulaties veranderde abrupt. "Onder twee nanometer wordt de migratie van protonen beperkt door opsluitingseffecten. Dit effect wordt verminderd wanneer de waterpoel wordt vergroot, " legt Martina Havenith uit. "Verrassend genoeg ontdekten we dat boven de twee nanometer, waar de vorming van hydroniumionen mogelijk is, er is een protonenverkeersopstopping." Het proton zit vast in een oscillerende toestand, waar het heen en weer stuitert langs het oppervlak van de waterpoel, maar komt niet vooruit, waardoor de geleidbaarheid niet verder toeneemt - zoals oorspronkelijk verwacht.

Kortsluiting in het waterstofbruggennetwerk

Naast de grootte van de zwembaden, de zuurconcentratie heeft ook invloed op het protonmigratiegedrag. Toen het onderzoeksteam het zuurgehalte verhoogde, ze creëerden een soort kortsluiting in het waterstofbindingsnetwerk van de druppel, zodat het proton niet langer van zijn positie migreerde, maar pauzeerde eerder in oscillerende stuiterende toestand. "Dat heeft gevolgen voor elk systeem dat afhankelijk is van protonentransport, omdat de omvang van het systeem of de protonconcentratie tot een verkeersopstopping kan leiden en bijvoorbeeld het signaleringsproces kan verstoren, ’ besluit Havenith.