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作者:馮維維 來源:中國科學報 發布時間:2021/9/24 15:07:40
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體積改變性質:水量減少 質子遷移

 

當水以極少量存在時(比這個液滴少得多)它就會產生特殊的性質。圖片來源:RUB, Marquard

在自由水溶液中,質子和水合氫離子似乎比其他離子遷移得更快,這是因為格羅特斯機制。

事實上,單個質子根本不會遷移。因為水合氫離子的化學鍵被破壞,與其他水分子形成新的化學鍵,使得單個質子不會遷移。相反,電荷直接從一個水分子轉移到另一個水分子。這個過程比離子在溶液中的擴散要快。

到目前為止,許多研究都在研究質子在自由水溶液中的傳輸。“在現實生活中,這樣的情況相對少見。”該研究第一兼通訊作者、德國波鴻魯爾大學理化系教授Martina Havenith說,“大多數質子傳輸過程實際上發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,其限制作用尚未被被完全理解。

為了改變這種情況,Havenith團隊與美國加州大學伯克利分校的研究人員合作,結合理論和實驗方法創造了大小可被精確控制的小型水池。當液滴直徑小于2納米時,實驗和模擬中的質子輸運機制發生突變。

“在兩納米以下,質子遷移受到約束效應的限制。當水池擴大時,這種影響就會減弱。”Martina Havenith解釋說,“令人驚訝的是,我們發現在兩納米以上,即水合氫離子可能形成的地方,會出現質子交通堵塞。”

Havenith表示,質子會被困在一種振蕩狀態中,它沿著水池的表面來回彈跳,但沒有向前移動,導致導電性沒有像最初預期的那樣進一步增加。

除了池子的大小,酸濃度也影響質子遷移行為。當研究小組增加酸的含量時,他們在液滴的氫鍵網絡中制造了一種短路,因此質子不再從其位置遷移,而是停留在振蕩跳躍狀態。

“這對每個依賴質子傳輸的系統都有影響,因為系統的大小或質子濃度可能導致交通堵塞,例如擾亂信號傳遞過程。” Havenith總結道。

相關論文信息:

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

 
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