Prótons (H ⁺ ) e íons hidrônio (H ₃ O ⁺ ) em soluções aquosas livres parecem migrar mais rápido do que outros íons devido ao mecanismo de Grotthuss. Os prótons individuais realmente não migram. Em vez de, as ligações dos íons hidrônio são quebradas e novas ligações com outras moléculas de água são formadas, para que o próton individual não migre. Em vez disso, as cargas são transportadas diretamente de uma molécula de água para a outra. Este processo é mais rápido do que a difusão de um íon através da solução.

Comportamento em espaços confinados inexplorados

Até aqui, muitos estudos investigaram o transporte de prótons em solução aquosa livre. "Na vida real, tais condições são relativamente raras, "diz a professora Martina Havenith, palestrante do RESOLV e autor do estudo. "A maioria dos processos de transporte de prótons realmente ocorre em espaços confinados ou em nanoporos." Os íons hidrônio estão envolvidos na definição do valor de pH. Até agora, o efeito do confinamento ainda não foi completamente compreendido.

Para mudar isso, pesquisadores de Bochum e Berkeley combinaram métodos teóricos e experimentais. Eles criaram pequenas piscinas de água, cujo tamanho pode ser controlado com precisão. Assim que o diâmetro das gotículas tornou-se menor que dois nanômetros, o mecanismo de transporte de prótons no experimento e nas simulações mudou abruptamente. "Abaixo de dois nanômetros, a migração de prótons é restringida por efeitos de confinamento. Esse efeito é reduzido quando o reservatório de água é ampliado, "explica Martina Havenith." Surpreendentemente, descobrimos que acima de dois nanômetros, onde a formação de íons hidrônio é possível, há um congestionamento de prótons. "O próton está preso em um estado oscilatório, onde ele salta para frente e para trás ao longo da superfície da piscina de água, mas não faz nenhum progresso, resultando em que a condutividade não aumente mais - como originalmente esperado.

Curto-circuito na rede de ligações de hidrogênio

Além do tamanho das piscinas, a concentração de ácido também influencia o comportamento de migração de prótons. Quando a equipe de pesquisa aumentou o teor de ácido, eles criaram um tipo de curto-circuito na rede de ligações de hidrogênio da gota, de modo que o próton não migrasse mais de sua posição, mas, em vez disso, fez uma pausa no estado de salto oscilatório. "Isso tem consequências para todos os sistemas que dependem do transporte de prótons, porque o tamanho do sistema ou a concentração de prótons podem levar a um congestionamento e, por exemplo, interromper o processo de sinalização, "conclui Havenith.