氢质子由一个氢离子组成，是所有化学元素中最小最轻的。这些质子自然地存在于水里，而水分子中有一小部分是自发分离的。它们在液体中的数量决定了溶液是酸性还是碱性。质子也极具流动性，通过从一个水分子跳到另一个水分子而在水中移动。
水-固界面的质子输运
这一运输过程在水体中的运作方式已被相当清楚地了解。但是，固体表面的存在可以极大地影响质子的行为，科学家目前几乎没有工具来测量这些水-固体界面的运动。在这项新研究中，来自EPFL工程学院(STI)的博士后研究人员Jean Comtet首次对质子在水与固体表面接触时的行为进行了研究，其深度可降至单个质子和单个电荷的极限尺度。他的发现发表在《自然纳米技术》杂志上，揭示了质子倾向于沿着这两种介质之间的界面移动。这项研究得益于来自巴黎高等师范学院化学系的研究人员的帮助，他们进行了模拟实验。
晶体缺陷
康塔特研究了水和氮化硼晶体之间的界面，氮化硼是一种非常光滑的材料。“晶体的表面可能含有缺陷，”Comtet说。“我们发现，这些缺陷起到了标记的作用，当一个质子与它们结合时，它们会重新发光。”利用超分辨率显微镜，他能够观察到这些荧光信号，并在10纳米左右的范围内测量缺陷的位置——这是一个令人难以置信的高精确度。更有趣的是，这项研究揭示了晶体缺陷激活方式的新见解。“我们观察到，当晶体与水接触时，晶体表面的缺陷一个接一个地出现，”Comtet补充说。“我们意识到，这种照明模式是由一个质子从一个缺陷跳跃到另一个缺陷产生的，产生了一个可识别的路径。”
重大的实验突破
该研究的关键发现之一是质子倾向于沿着水-固体界面移动。“质子一直在移动，但却紧贴着固体表面，”康塔特解释说。“这就是我们看到这些模式的原因。”EPFL纳米生物实验室(LBEN)的教授Aleksandra Radenovic补充说:“这是一个重大的实验突破，进一步加深了我们对水中电荷如何与固体表面相互作用的理解。”
“我们的观察，在这种特定的背景下，可以很容易地推断出其他材料和环境，”Comtet说。这些发现可能在许多其他领域和学科中具有重要意义，从理解细胞膜界面的生物过程到设计更有效的过滤器和电池。
