29.05.2020 - Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

Beobachtung einzelner Protonen, die sich an Wasser-Festkörper-Grenzflächen bewegen

Ein wichtiger experimenteller Durchbruch

Das H+-Proton besteht aus einem einzelnen Ion Wasserstoff, dem kleinsten und leichtesten aller chemischen Elemente. Diese Protonen kommen natürlich in Wasser vor, wo sich ein winziger Anteil der H2O-Moleküle spontan trennt. Ihre Menge in einer Flüssigkeit bestimmt, ob die Lösung sauer oder basisch ist. Protonen sind auch extrem beweglich und bewegen sich durch Wasser, indem sie von einem Wassermolekül zum anderen springen.

Protonentransport an Wasser-Festkörper-Grenzflächen

Wie dieser Transportprozess in einem Gewässer funktioniert, ist relativ gut verstanden. Aber das Vorhandensein einer festen Oberfläche kann das Verhalten von Protonen dramatisch beeinflussen, und die Wissenschaftler verfügen derzeit nur über sehr wenige Instrumente zur Messung dieser Bewegungen an Wasser-Festkörper-Grenzflächen. In dieser neuen Studie hat Jean Comtet, Postdoktorand an der Hochschule für Technik (STI) der EPFL, zum ersten Mal einen Einblick in das Verhalten von Protonen gegeben, wenn Wasser mit einer festen Oberfläche in Kontakt kommt, und zwar bis hinunter zur ultimativen Skala eines einzelnen Protons und einer einzelnen Ladung. Seine Ergebnisse, die in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht wurden, zeigen, dass Protonen dazu neigen, sich entlang der Grenzfläche zwischen diesen beiden Medien zu bewegen. Die Studie profitierte von der Hilfe von Forschern des Departements Chemie an der École Normale Supérieure (ENS) in Paris, die Simulationen durchführten.

Kristalline Defekte

Comtet untersuchte die Grenzfläche zwischen Wasser und einem Kristall aus Bornitrid, einem extrem glatten Material. "Die Oberfläche des Kristalls kann Defekte enthalten", sagt Comtet. "Wir fanden heraus, dass diese Unvollkommenheiten als Marker fungieren und Licht wieder aussenden, wenn ein Proton an sie bindet. Mit einem Superauflösungsmikroskop konnte er diese Fluoreszenzsignale beobachten und die Position der Defekte bis auf etwa 10 Nanometer genau messen - ein unglaublich hoher Grad an Präzision. Noch interessanter ist, dass die Studie neue Erkenntnisse über die Art und Weise der Aktivierung kristalliner Defekte ergab. "Wir beobachteten, wie Defekte auf der Oberfläche des Kristalls nacheinander aufleuchteten, wenn sie mit Wasser in Kontakt kamen", fügt Comtet hinzu. "Wir stellten fest, dass dieses Beleuchtungsmuster durch ein einzelnes Proton erzeugt wird, das von Defekt zu Defekt springt und einen identifizierbaren Pfad erzeugt.

Ein wichtiger experimenteller Durchbruch

Eines der wichtigsten Ergebnisse der Studie ist, dass Protonen dazu neigen, sich entlang der Wasser-Festkörper-Grenzfläche zu bewegen. "Die Protonen bewegen sich weiter, umarmen aber die Oberfläche des Festkörpers", erklärt Comtet. "Deshalb sehen wir diese Art von Mustern." Aleksandra Radenovic, Professorin am Laboratorium für Biologie im Nanomassstab (LBEN) der EPFL, fügt hinzu: "Dies ist ein wichtiger experimenteller Durchbruch, der unser Verständnis der Wechselwirkung zwischen Ladungen in Wasser und festen Oberflächen verbessert.

"Unsere Beobachtungen können in diesem spezifischen Kontext leicht auf andere Materialien und Umgebungen übertragen werden", sagt Comtet. "Diese Entdeckungen könnten wichtige Auswirkungen auf viele andere Bereiche und Disziplinen haben, vom Verständnis biologischer Prozesse an der Zell-Membran-Grenzfläche bis hin zur Entwicklung effizienterer Filter und Batterien.

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