Protons (H ⁺ ) et les ions hydronium (H 3 O ⁺ ) dans les solutions aqueuses libres semblent migrer plus rapidement que les autres ions en raison du mécanisme de Grotthuss. Les protons individuels ne migrent pas vraiment du tout. Au lieu, les liaisons des ions hydronium sont rompues et de nouvelles liaisons avec d'autres molécules d'eau se forment, de sorte que le proton individuel ne migre pas. Les charges sont plutôt transportées directement d'une molécule d'eau à l'autre. Ce processus est plus rapide que la diffusion d'un ion à travers la solution.

Comportement dans des espaces confinés inexploré

Jusque là, de nombreuses études ont étudié le transport des protons en solution aqueuse libre. "Dans la vraie vie, de telles conditions sont relativement rares, " dit le professeur Martina Havenith, conférencier du RESOLV et auteur de l'étude. "La plupart des processus de transport de protons se produisent en fait dans des espaces confinés ou dans des nanopores." Les ions hydronium sont impliqués dans la définition de la valeur du pH. Jusqu'à maintenant, l'effet du confinement n'a pas encore été complètement compris.

Pour changer ça, des chercheurs de Bochum et de Berkeley ont combiné des méthodes théoriques et expérimentales. Ils ont créé de minuscules piscines d'eau, dont la taille pouvait être contrôlée avec précision. Dès que le diamètre des gouttelettes est devenu inférieur à deux nanomètres, le mécanisme de transport des protons dans l'expérience et les simulations ont changé brusquement. "En dessous de deux nanomètres, la migration des protons est limitée par des effets de confinement. Cet effet est réduit lorsque le bassin d'eau est agrandi, " explique Martina Havenith. " Étonnamment, nous avons constaté qu'au-dessus de deux nanomètres, où la formation d'ions hydronium est possible, il y a un embouteillage de protons." Le proton est bloqué dans un état oscillatoire, où il rebondit le long de la surface de la piscine d'eau, mais n'avance pas, ce qui a pour résultat que la conductivité n'augmente pas davantage, comme prévu à l'origine.

Court-circuit dans le réseau de liaisons hydrogène

En plus de la taille des piscines, la concentration en acide influence également le comportement de migration des protons. Lorsque l'équipe de recherche a augmenté la teneur en acide, ils ont créé une sorte de court-circuit dans le réseau de liaisons hydrogène de la gouttelette, de sorte que le proton ne migre plus de sa position, mais plutôt en pause dans un état de rebond oscillatoire. "Cela a des conséquences pour chaque système qui repose sur le transport de protons, car la taille du système ou la concentration en protons peuvent conduire à un embouteillage et par exemple perturber le processus de signalisation, " conclut Havenith.