O gelo de água é uma das substâncias sólidas mais abundantes na natureza e os prótons hidratados nas superfícies do gelo influenciam criticamente as propriedades físicas e químicas do gelo. Prótons hidratados são facilmente dopados nas redes de ligações de hidrogênio (HB) quando impurezas ácidas estão presentes. Em contraste, em sistemas moleculares de água pura, eles são gerados exclusivamente pela ionização térmica das moléculas de água (H ₂ O⇆H ⁺ _hid + OH ^- _hid ) Portanto, a atividade de prótons inerente ao gelo de água é determinada pela quantidade e mobilidade dos prótons hidratados derivados da autoionização (Figura 1).

Discussões consideráveis ​​foram feitas, ainda não foi resolvido, sobre se a atividade de prótons hidratados é substancialmente aumentada na superfície do gelo de água. Este é um problema crucialmente importante para a compreensão do impacto das superfícies de gelo onipresentes na natureza em uma ampla variedade de fenômenos heterogêneos, como geração de carga, separação e aprisionamento em uma tempestade de trovões, destruição fotoquímica da camada de ozônio da Terra, e até mesmo a evolução molecular no espaço, etc.

Muito recentemente, pesquisadores liderados por Toshiki Sugimoto, Professor Associado do Institute for Molecular Science, conseguiu demonstrar direta e quantitativamente que a atividade do próton é significativamente aumentada nas superfícies do gelo de baixa temperatura. Com base na observação experimental simultânea da troca isotópica H / D de moléculas de água na superfície e no interior de filmes de gelo cristalino de camada dupla compostos por H ₂ O e D ₂ O (Figura 2), eles relataram três descobertas principais do aumento único da atividade de prótons de superfície:(1) a atividade de prótons provada pela troca H / D (Figura 1) na superfície superior é pelo menos três ordens de magnitude maior do que no interior, mesmo abaixo de 160 K; (2) a atividade aumentada do próton é dominada pelo processo de autoionização das moléculas de água ao invés do processo de transferência do próton na superfície do gelo; (3) como consequência da autoionização promovida pela superfície, estima-se que a concentração de prótons hidratados na superfície seja mais de seis ordens de magnitude maior do que a maioria.

Correlacionando esses resultados com a estrutura de nível molecular e dinâmica da superfície do gelo de baixa temperatura, eles discutiram que as flutuações estruturais cooperativas permitidas nas moléculas de superfície subcoordenadas (Figura 3), mas inibidas nas moléculas interiores totalmente coordenadas, facilitam a autoionização e dominam a atividade do próton na superfície do gelo. Como o limite inferior de temperatura da atmosfera da Terra é de ~ 120 K em torno da mesopausa, é improvável que a superfície do gelo cristalino na Terra seja solidamente ordenada, mas, inevitavelmente, seria altamente flutuante. Na natureza, tais características dinâmicas facilitam a autoionização de moléculas de água e, assim, aumentam a atividade de prótons na superfície do gelo cristalino. "Nossos resultados não apenas avançam a físico-química das ligações de hidrogênio interfaciais, mas também fornecem uma base firme para elucidar as principais propriedades das superfícies de gelo que são de grande interesse em uma variedade de fenômenos relevantes para a dinâmica de prótons hidratados, "diz Sugimoto.