在自由水溶液中，質(zhì)子和水合氫離子似乎比其他離子遷移的更快，這是因為格羅特斯機制。
事實上，單個質(zhì)子根本不會遷移。這是因為水合氫離子的化學(xué)鍵被破壞，并與其他水分子形成新的化學(xué)鍵，使得單個質(zhì)子不會遷移。相反，電荷會直接從一個水分子轉(zhuǎn)移至另一個水分子。這個過程比離子在溶液中的擴散速度要快。
到目前為止，許多科研人員都在研究質(zhì)子在自由水溶液中的傳輸。“在現(xiàn)實生活中，這樣的情況相對少見。”該研究第一兼通訊作者、德國波鴻魯爾大學(xué)理化系教授Martina Havenith說，“大多數(shù)質(zhì)子傳輸過程實際上發(fā)生在密閉空間或納米孔中。”
水合氫離子參與了pH值的確定。到目前為止，其限制作用尚未被完全理解。
為改變這種情況，Havenith團隊與美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員合作，結(jié)合理論和實驗方法，創(chuàng)造了大小可被精確控制的小型水池。當(dāng)液滴直徑小于2納米時，實驗和模擬中的質(zhì)子輸運機制發(fā)生了突變。
“在2納米以下時，質(zhì)子遷移受到約束效應(yīng)的限制。當(dāng)水池擴大時，這種影響就會減弱。”Havenith解釋說，“令人驚訝的是，我們發(fā)現(xiàn)在2納米以上，即水合氫離子可能形成的地方，會出現(xiàn)質(zhì)子交通堵塞。”
Havenith表示，質(zhì)子會被困在一種振蕩狀態(tài)中，它沿著水池的表面來回彈跳，但沒有向前移動，導(dǎo)致導(dǎo)電性沒有像最初預(yù)期的那樣進(jìn)一步增加。
除了池子的大小，酸濃度也影響質(zhì)子遷移行為。當(dāng)研究小組增加酸的含量時，他們在液滴的氫鍵網(wǎng)絡(luò)中制造了一種短路狀態(tài)，因此質(zhì)子不再從其位置遷移，而是停留在振蕩跳躍狀態(tài)。
“這對每個依賴質(zhì)子傳輸?shù)南到y(tǒng)都有影響，因為系統(tǒng)的大小或質(zhì)子濃度可能導(dǎo)致交通堵塞，例如擾亂信號傳遞過程。” Havenith總結(jié)道。(馮維維)
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