Водяной лед является одним из наиболее распространенных твердых веществ в природе, и гидратированные протоны на поверхности льда оказывают критическое влияние на физико-химические свойства льда. Гидратированные протоны легко легируются в сети водородных связей (НВ), когда присутствуют кислотные примеси. Напротив, в системах с чистой водой они генерируются исключительно за счет термической ионизации молекул воды (H 2 O⇆H + гид + OH — гид ). Таким образом, активность протонов, свойственная водяному льду, определяется количеством и подвижностью гидратированных протонов, полученных в результате автоионизации (рис. 1).

Были проведены значительные дискуссии, но пока не решено, существенно ли повышена активность гидратированных протонов на поверхности водяного льда . Это чрезвычайно важная проблема для понимания влияния повсеместных в природе поверхностей льда на самые разнообразные гетерогенные явления, такие как генерация, разделение и улавливание заряда во время грозы, фотохимическое разрушение озонового слоя Земли и даже эволюция молекул в пространство и т. д.

Совсем недавно исследователям во главе с Тошики Сугимото, доцентом Института молекулярных наук, удалось напрямую и количественно продемонстрировать, что активность протонов значительно повышается на поверхностях низкотемпературного льда. На основе одновременного экспериментального наблюдения H / D изотопного обмена молекул воды на поверхности и внутри двухслойных пленок кристаллического льда, состоящих из H 2 O и D 2O (рис. 2), они сообщили о трех основных открытиях уникального усиления поверхностной активности протонов: (1) активность протонов, подтвержденная H / D обменом (рис. 1) на самой верхней поверхности, как минимум на три порядка выше, чем в интерьер, даже ниже 160 К; (2) усиление активности протонов определяется процессом автоионизации молекул воды, а не процессом переноса протонов на поверхности льда; (3) вследствие поверхностно-стимулированной автоионизации концентрация поверхностных гидратированных протонов оценивается более чем на шесть порядков выше, чем в объеме.

Сопоставляя эти результаты со структурой молекулярного уровня и динамикой поверхности низкотемпературного льда, они обсуждали, что кооперативные структурные флуктуации, допускаемые в недостаточно координированных поверхностных молекулах (рис. 3), но подавленные в полностью скоординированных внутренних молекулах, способствуют автоионизации и доминируют в протоне. активность на поверхности льда. Поскольку нижний предел температуры земной атмосферы составляет около 120 К вокруг мезопаузы, поверхность кристаллического льда на Земле вряд ли будет упорядоченной, но неизбежно будет сильно колебаться. В природе такие динамические свойства облегчают автоионизацию молекул воды и, таким образом, повышают активность протонов на поверхности.кристаллического льда. «Наши результаты не только улучшают физическую химию межфазных водородных связей, но также обеспечивают прочную основу для выяснения ключевых свойств поверхностей льда, которые представляют большой интерес для различных явлений, связанных с динамикой гидратированных протонов», — говорит Сугимото.