Hoe beperkte protonen migreren

Protonen (H⁺) en hydroniumionen (H₃O⁺) in vrije waterige oplossingen lijken sneller te migreren dan andere ionen vanwege het Grotthuss-mechanisme. Individuele protonen migreren helemaal niet echt. In plaats daarvan worden bindingen van de hydroniumionen verbroken en worden nieuwe bindingen met andere watermoleculen gevormd, zodat het individuele proton niet migreert. In plaats daarvan worden ladingen rechtstreeks van het ene watermolecuul naar het andere getransporteerd. Dit proces is sneller dan de diffusie van een ion door de oplossing.

Gedrag in besloten ruimten onontgonnen

Tot nu toe hebben veel studies het transport van protonen in een vrije waterige oplossing onderzocht. “In het echte leven zijn dergelijke aandoeningen relatief zeldzaam”, zegt professor Martina Havenith, spreker van RESOLV en auteur van de studie. “De meeste protonentransportprocessen vinden eigenlijk plaats in besloten ruimtes of in nanoporiën.” Hydroniumionen zijn betrokken bij het bepalen van de pH-waarde. Tot nu toe is het effect van opsluiting nog niet volledig begrepen.

Om daar verandering in te brengen, combineerden onderzoekers uit Bochum en Berkeley theoretische en experimentele methoden. Ze creëerden kleine waterpoelen, waarvan de grootte nauwkeurig kon worden gecontroleerd. Zodra de diameter van de druppeltjes kleiner werd dan twee nanometer, veranderde het protonentransportmechanisme in het experiment en de simulaties abrupt. “Onder de twee nanometer wordt de migratie van protonen beperkt door opsluitingseffecten. Dit effect wordt verminderd wanneer de waterpoel groter wordt”, legt Martina Havenith uit. “Verrassend genoeg ontdekten we dat boven de twee nanometer, waar de vorming van hydroniumionen mogelijk is, er een protonenverkeersopstopping is.” Het proton zit vast in een oscillerende toestand, waar het heen en weer stuitert langs het oppervlak van de waterpoel, maar geen vooruitgang boekt, waardoor de geleidbaarheid niet verder toeneemt – zoals oorspronkelijk verwacht.

Kortsluiting in het waterstofbruggennetwerk

Naast de grootte van de poelen heeft ook de zuurconcentratie invloed op het protonmigratiegedrag. Toen het onderzoeksteam het zuurgehalte verhoogde, creëerden ze een soort kortsluiting in het waterstofbindingsnetwerk van de druppel, zodat het proton niet langer van zijn positie migreerde, maar eerder pauzeerde in oscillerende stuiterende toestand. “Dat heeft gevolgen voor elk systeem dat afhankelijk is van protonentransport, want de omvang van het systeem of de protonconcentratie kan leiden tot een file en bijvoorbeeld het signaleringsproces verstoren”, besluit Havenith.