El hielo de agua es una de las sustancias sólidas más abundantes en la naturaleza y los protones hidratados en las superficies de hielo influyen de manera crítica en las propiedades físicas y químicas de los hielos. Los protones hidratados se dopan fácilmente en las redes de enlaces de hidrógeno HB cuando hay impurezas ácidas.Por el contrario, en los sistemas moleculares de agua pura, se generan únicamente por la ionización térmica de las moléculas de agua H 2 O ⇆ H + hid + OH - hid . Por lo tanto, la actividad protónica inherente al hielo de agua está determinada por la cantidad y la movilidad de los protones hidratados derivados de la autoionización.
Se han realizado considerables discusiones, pero no se ha establecido, sobre si la actividad de los protones hidratados se mejora sustancialmente en la superficie del hielo de agua. Este es un problema crucialmente importante para comprender el impacto de la superficie del hielo en la naturaleza en una amplia variedad defenómenos heterogéneos, como la generación de carga, la separación y la captura en una tormenta de truenos, la destrucción fotoquímica de la capa de ozono de la tierra e incluso la evolución molecular en el espacio, etc.
Muy recientemente, los investigadores dirigidos por Toshiki Sugimoto, profesor asociado del Instituto de Ciencia Molecular, lograron demostrar directa y cuantitativamente que la actividad de los protones aumenta significativamente en las superficies de hielo a baja temperatura. Sobre la base de la observación experimental simultánea deEl intercambio isotópico H / D de moléculas de agua en la superficie y en el interior de películas de hielo cristalino de doble capa compuestas de H 2 O y D 2 O, informaron tres descubrimientos importantes de la mejora única de la actividad de protones en la superficie: 1 la actividad de protones demostrada por el intercambio H / D en la superficie superior es al menos tres órdenes de magnitud más alta que en el interior, incluso por debajo de 160 K; 2 la actividad de protones mejorada está dominada por el proceso de autoionización de las moléculas de agua en lugar del proceso de transferencia de protones en la superficie del hielo; 3 como consecuencia de la autoionización promovida por la superficie, la concentración de protones hidratados en la superficie se estima en más de seis órdenesde magnitud superior a la de la mayor parte.
Correlacionando estos resultados con la estructura de nivel molecular y la dinámica de la superficie de hielo a baja temperatura, discutieron que las fluctuaciones estructurales cooperativas permitidas en las moléculas de superficie descoordinadas pero inhibidas en las moléculas interiores totalmente coordinadas facilitan la autoionización y dominan la actividad protónica enla superficie del hielo. Debido a que el límite inferior de temperatura de la atmósfera terrestre es de ~ 120 K alrededor de la mesopausia, es improbable que la superficie del hielo cristalino en la tierra esté ordenada de manera sólida, pero inevitablemente estaría muy fluctuada. En la naturaleza, tales características dinámicas facilitan laLa autoionización de las moléculas de agua y, por lo tanto, mejora la actividad de los protones en la superficie del hielo cristalino. "Nuestros resultados no solo hacen avanzar la química física de los enlaces de hidrógeno interfaciales, sino que también proporcionan una base firme para dilucidar las propiedades clave de la superficie del hielo que son de gran interés enuna variedad de fenómenos relevantes para la dinámica de los protones hidratados ", dice Sugimoto.
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Materiales proporcionado por Institutos Nacionales de Ciencias Naturales . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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