水冰是自然界中最豐富的固體物質之一，冰表面的水合質子會嚴重影響冰的物理和化學性質。當存在酸性雜質時，水合質子很容易摻入氫鍵（HB）網絡中。相反，在純水分子系統中，它們僅由水分子的熱電離（H 2 O = H + hyd + OH - hyd）生成。因此，水冰所固有的質子活性取決於衍生自自電離的水合質子的量和遷移率。
關於水冰表面水合質子的活性是否顯著提高，已經進行了相當多的討論，但尚未解決。這對於理解自然界無處不在的冰面對各種各樣的非均質現象的影響是至關重要的問題，例如電荷的產生，雷暴中的分離和捕獲，地球臭氧層的光化學破壞，甚至是空間上的分子演化等
最近，由美國國家自然科學研究所分子科學研究所副教授杉本俊樹（Toshiki Sugimoto）領導的研究人員成功地直接定量地證明了低溫冰表面的質子活性顯著增強。在同時實驗觀察由H 2 O和D 2O組成的雙層結晶冰膜表面和內部水分子的H / D同位素交換的同時，他們報告了表面質子活性獨特增強的三個主要發現：（1）最上方表面的H / D交換證明的質子活性至少比表面質子活性高三個數量級，內部甚至低於160 K；（2）質子活性增強主要是由水分子的自電離過程而不是冰表面的質子轉移過程引起的；（3）由於表面促進的自電離作用，表面水合質子的濃度估計比本體中的高出六個數量級。
將這些結果與低溫冰表面的分子水平結構和動力學相關聯，他們討論了在配位不足的表面分子中允許的協同結構波動但在完全配位的內部分子中被抑制的協作結構波動有利於自電離並控制質子在冰面上的活動。由於地球大氣的溫度下限是120 K，因此地球上的結晶冰表面不太可能牢固排列，但不可避免地會高度波動。在自然界中，這種動態特徵有助於水分子的自動離子化，從而增強表面的質子活性結晶冰。Sugimoto說：「我們的研究結果不僅促進了界面氫鍵的物理化學，而且為闡明冰表面的關鍵特性提供了堅實的基礎，而這些特性對於與水化質子動力學相關的各種現象都非常相關。」
論文標題為《Direct Experimental Evidence for Markedly Enhanced Surface Proton Activity Inherent to Water Ice》。