水冰是自然界中最豐富的固體物質(zhì)之一，冰表面的水合質(zhì)子會嚴重影響冰的物理和化學(xué)性質(zhì)。當(dāng)存在酸性雜質(zhì)時，水合質(zhì)子很容易摻入氫鍵(HB)網(wǎng)絡(luò)中。相反，在純水分子系統(tǒng)中，它們僅由水分子的熱電離(H2O=H+hyd+ OH-hyd)生成。因此，水冰所固有的質(zhì)子活性取決于衍生自自電離的水合質(zhì)子的量和遷移率(圖1)。

關(guān)于水冰表面水合質(zhì)子的活性是否顯著提高，已經(jīng)進行了很多討論，但尚未解決。這對于理解自然界無處不在的冰面對各種各樣的非均質(zhì)現(xiàn)象的影響是至關(guān)重要的問題，例如電荷的產(chǎn)生，雷暴中的分離和誘捕，地球臭氧層的光化學(xué)破壞，甚至是地球上的分子演化?？臻g等

最近，由分子科學(xué)研究所副教授杉本俊樹(Toshiki Sugimoto)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員成功地直接定量地證明了低溫冰表面的質(zhì)子活性顯著增強。在同時實驗觀察由H2O和D2組成的雙層結(jié)晶冰膜表面和內(nèi)部水分子的H / D同位素交換的同時，O(圖2)，他們報告了表面質(zhì)子活性獨特增強的三個主要發(fā)現(xiàn)：(1)最上方表面的H / D交換(圖1)證明的質(zhì)子活性至少比表面質(zhì)子活性高三個數(shù)量級。內(nèi)部甚至低于160 K;(2)增強的質(zhì)子活性主要是由水分子的自電離過程而不是質(zhì)子在冰表面的轉(zhuǎn)移過程所致。(3)由于表面促進的自電離作用，表面水合質(zhì)子的濃度估計比本體中的高出六個數(shù)量級。

將這些結(jié)果與低溫冰表面的分子水平結(jié)構(gòu)和動力學(xué)相關(guān)聯(lián)，他們討論了在配位不足的表面分子中允許的協(xié)同結(jié)構(gòu)波動(圖3)但在完全配位的內(nèi)部分子中被抑制的協(xié)作結(jié)構(gòu)波動有助于自電離并控制質(zhì)子在冰面上的活動。由于中層頂周圍地球大氣的溫度下限是?120 K，因此地球上的結(jié)晶冰表面不太可能是有序排列的，但不可避免地會高度波動。在自然界中，這種動態(tài)特征有助于水分子的自動離子化，從而增強了結(jié)晶冰表面的質(zhì)子活性。”