Las fluctuaciones estructurales únicas en la superficie del hielo promueven la autoionización de las moléculas de agua

El hielo de agua es una de las sustancias sólidas más abundantes en la naturaleza y los protones hidratados en las superficies de hielo influyen de manera crítica en las propiedades físicas y químicas de los hielos. Los protones hidratados se dopan fácilmente en las redes de enlaces de hidrógeno (HB) cuando hay impurezas ácidas presentes. En cambio, en los sistemas moleculares de agua pura, se generan únicamente por la ionización térmica de las moléculas de agua _(H2O⇆H+hyd + OH-_hyd). Por lo tanto, la actividad protónica inherente al hielo de agua está determinada por la cantidad y la movilidad de los protones hidratados derivados de la autoionización.

Se han realizado considerables debates, aún no resueltos, sobre si la actividad de los protones hidratados aumenta sustancialmente en la superficie del hielo del agua. Este es un problema de importancia crucial para comprender el impacto de la superficie de hielo, omnipresente en la naturaleza, en una amplia variedad de fenómenos heterogéneos, como la generación de cargas, la separación y el atrapamiento en una tormenta eléctrica, la 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, lograron demostrar directa y cuantitativamente que la actividad de los protones aumenta significativamente en las superficies del hielo de baja temperatura. Sobre la base de la observación experimental simultánea del intercambio isotópico H/D de las moléculas de agua en la superficie y en el interior de películas de hielo cristalino de doble capa compuestas de H2O y D2O, informaron de tres importantes descubrimientos del singular aumento de la actividad de los protones en la superficie: 1) la actividad protónica demostrada por el intercambio H/D en la superficie superior es por lo menos tres órdenes de magnitud mayor que en el interior, incluso por debajo de 160 K; 2) la mayor actividad protónica está dominada por el proceso de autoionización de las moléculas de agua más que por el 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 superior en más de seis órdenes de magnitud a la del grueso.

Correlacionando estos resultados con la estructura y la dinámica a nivel molecular de la superficie de hielo a baja temperatura, se discutió que las fluctuaciones estructurales cooperativas permitidas en las moléculas superficiales poco coordinadas 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 terrestre es de ~120 K alrededor de la mesopausa, es poco probable que la superficie de hielo cristalino en la Tierra esté sólidamente ordenada, pero inevitablemente sería muy fluctuada. En la naturaleza, tales 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 sólo hacen avanzar la química física de los enlaces interfaciales de hidrógeno, sino que también proporcionan una base firme para dilucidar las propiedades clave de la superficie del hielo que son de gran interés en una variedad de fenómenos relevantes para la dinámica de los protones hidratados", dice Sugimoto.