在自由水溶液中，質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，單個質子根本不會遷移。這是因為水合氫離子的化學鍵被破壞，並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，電荷會直接從一個水分子轉移至另一個水分子。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奈米孔中。”
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。當液滴直徑小於2奈米時，實驗和模擬中的質子輸運機制發生了突變。
“在2奈米以下時，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。”Havenith解釋說，“令人驚訝的是，我們發現在2奈米以上，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盪狀態中，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路中製造了一種短路狀態，因此質子不再從其位置遷移，而是停留在振盪跳躍狀態。
“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，例如擾亂訊號傳遞過程。” Havenith總結道。（馮維維）
來源： 《中國科學報》
