Protones (H ⁺ ) e iones hidronio (H ₃ O ⁺ ) en soluciones acuosas libres parecen migrar más rápido que otros iones debido al mecanismo de Grotthuss. Los protones individuales realmente no migran en absoluto. En lugar de, los enlaces de los iones hidronio se rompen y se forman nuevos enlaces con otras moléculas de agua, para que el protón individual no migre. Más bien, las cargas se transportan directamente de una molécula de agua a la siguiente. Este proceso es más rápido que la difusión de un ión a través de la solución.

Comportamiento en espacios confinados inexplorado

Hasta aquí, muchos estudios han investigado el transporte de protones en solución acuosa libre. "En la vida real, estas condiciones son relativamente raras, "dice la profesora Martina Havenith, ponente de RESOLV y autor del estudio. "La mayoría de los procesos de transporte de protones ocurren realmente en espacios confinados o en nanoporos". Los iones de hidronio están involucrados en la definición del valor de pH. Hasta ahora, el efecto del confinamiento aún no se ha entendido completamente.

Para cambiar eso, investigadores de Bochum y Berkeley combinaron métodos teóricos y experimentales. Crearon pequeñas piscinas de agua, cuyo tamaño podría controlarse con precisión. Tan pronto como el diámetro de las gotas se hizo menor de dos nanómetros, el mecanismo de transporte de protones en el experimento y las simulaciones cambió abruptamente. "Por debajo de dos nanómetros, la migración de protones está restringida por los efectos del confinamiento. Este efecto se reduce cuando se agranda la piscina de agua, ", explica Martina Havenith." Sorprendentemente, encontramos que por encima de dos nanómetros, donde es posible la formación de iones hidronio, hay un atasco de protones. "El protón está atascado en un estado oscilatorio, donde rebota hacia adelante y hacia atrás a lo largo de la superficie de la piscina de agua, pero no avanza, lo que hace que la conductividad no aumente más, como se esperaba originalmente.

Cortocircuito en la red de enlaces de hidrógeno.

Además del tamaño de las piscinas, la concentración de ácido también influye en el comportamiento de migración de protones. Cuando el equipo de investigación aumentó el contenido de ácido, crearon un tipo de cortocircuito en la red de enlace de hidrógeno de la gota, para que el protón ya no migre de su posición, sino más bien pausado en estado de rebote oscilatorio. "Eso tiene consecuencias para todos los sistemas que dependen del transporte de protones, porque el tamaño del sistema o la concentración de protones pueden provocar un atasco y, por ejemplo, interrumpir el proceso de señalización, "concluye Havenith.