作者:冯维维 来源:中国科学报 发布时间:2021/9/24 15:07:40
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体积改变性质:水量减少 质子迁移

 

当水以极少量存在时(比这个液滴少得多)它就会产生特殊的性质。图片来源:RUB, Marquard

在自由水溶液中,质子和水合氢离子似乎比其他离子迁移得更快,这是因为格罗特斯机制。

事实上,单个质子根本不会迁移。因为水合氢离子的化学键被破坏,与其他水分子形成新的化学键,使得单个质子不会迁移。相反,电荷直接从一个水分子转移到另一个水分子。这个过程比离子在溶液中的扩散要快。

到目前为止,许多研究都在研究质子在自由水溶液中的传输。“在现实生活中,这样的情况相对少见。”该研究第一兼通讯作者、德国波鸿鲁尔大学理化系教授Martina Havenith说,“大多数质子传输过程实际上发生在密闭空间或纳米孔中。”

水合氢离子参与了pH值的确定。到目前为止,其限制作用尚未被被完全理解。

为了改变这种情况,Havenith团队与美国加州大学伯克利分校的研究人员合作,结合理论和实验方法创造了大小可被精确控制的小型水池。当液滴直径小于2纳米时,实验和模拟中的质子输运机制发生突变。

“在两纳米以下,质子迁移受到约束效应的限制。当水池扩大时,这种影响就会减弱。”Martina Havenith解释说,“令人惊讶的是,我们发现在两纳米以上,即水合氢离子可能形成的地方,会出现质子交通堵塞。”

Havenith表示,质子会被困在一种振荡状态中,它沿着水池的表面来回弹跳,但没有向前移动,导致导电性没有像最初预期的那样进一步增加。

除了池子的大小,酸浓度也影响质子迁移行为。当研究小组增加酸的含量时,他们在液滴的氢键网络中制造了一种短路,因此质子不再从其位置迁移,而是停留在振荡跳跃状态。

“这对每个依赖质子传输的系统都有影响,因为系统的大小或质子浓度可能导致交通堵塞,例如扰乱信号传递过程。” Havenith总结道。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1002/anie.202108766

 
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