El hielo de agua es una de las sustancias sólidas más abundantes en la naturaleza y los protones hidratados en la superficie del hielo influyen de manera crítica en las propiedades físicas y químicas del hielo. Los protones hidratados se dopan fácilmente en las redes de enlaces de hidrógeno (HB) cuando hay presentes impurezas ácidas. A diferencia de, en sistemas moleculares de agua pura, se generan únicamente por la ionización térmica de moléculas de agua (H ₂ O⇆H ⁺ _hid + OH ^- _hid ). Por lo tanto, la actividad de los protones inherente al hielo de agua está determinada por la cantidad y movilidad de los protones hidratados derivados de la autoionización (Figura 1).

Se han realizado considerables discusiones, aún no se ha resuelto, sobre si la actividad de los protones hidratados aumenta sustancialmente en la superficie del hielo de agua. Este es un problema de crucial importancia para comprender el impacto de las superficies de hielo ubicuas en la naturaleza en una amplia variedad de fenómenos heterogéneos. como la generación de carga, separación y atrapamiento en una tormenta de truenos, destrucción fotoquímica de la capa de ozono de la tierra, e incluso la evolución molecular en el espacio, etc.

Muy recientemente, investigadores dirigidos por Toshiki Sugimoto, Profesor asociado del Instituto de Ciencias Moleculares, logró demostrar directa y cuantitativamente que la actividad de los protones se mejora significativamente en las superficies del hielo a baja temperatura. Sobre la base de la observación experimental simultánea del intercambio isotópico H / D de moléculas de agua en la superficie y en el interior de películas de hielo cristalino de doble capa compuestas de H ₂ O y D ₂ O (Figura 2), informaron de tres descubrimientos importantes de la mejora única de la actividad de los protones de superficie:(1) la actividad de los protones demostrada por el intercambio H / D (Figura 1) en la superficie superior es al menos tres órdenes de magnitud más alta que en el interior, incluso por debajo de 160 K; (2) el aumento de la actividad de los protones está dominado por el proceso de autoionización de las moléculas de agua en lugar del proceso de transferencia de protones en la superficie del hielo; (3) como consecuencia de la autoionización promovida por la superficie, se estima que la concentración de protones hidratados en la superficie es más de seis órdenes de magnitud superior a la de la masa.

Al correlacionar estos resultados con la estructura a nivel molecular y la dinámica de la superficie del hielo a baja temperatura, discutieron que las fluctuaciones estructurales cooperativas permitidas en las moléculas superficiales subcoordinadas (Figura 3) pero inhibidas en las moléculas interiores totalmente coordinadas facilitan la autoionización y dominan la actividad de los protones en la superficie del hielo. Debido a que el límite inferior de temperatura de la atmósfera de la Tierra es ~ 120 K alrededor de la mesopausia, Es poco probable que la superficie del hielo cristalino en la tierra esté sólidamente ordenada, pero inevitablemente presentará grandes fluctuaciones. En naturaleza, estas características dinámicas facilitan la autoionización de las moléculas de agua y, por lo tanto, mejoran la actividad de los protones en la superficie del hielo cristalino. "Nuestros resultados no solo promueven la química física de los enlaces de hidrógeno interfaciales, sino que también proporcionan una base firme para dilucidar las propiedades clave de las superficies de hielo que son de gran interés en una variedad de fenómenos relevantes para la dinámica de los protones hidratados, "dice Sugimoto.