Cuando el agua queda atrapada en cavidades estrechas a nanoescala, entra en una fase intermedia que no es ni sólida ni líquida, sino algo intermedio. Este es el hallazgo de un equipo internacional de investigadores que utilizó la física estadística, la mecánica cuántica y el aprendizaje automático para estudiar cómo cambian las propiedades del agua cuando está confinada en espacios tan pequeños. Al analizar el diagrama de fase de presión-temperatura de esta agua nanoconfinada, como se la conoce, el equipo descubrió que exhibe una fase "hexática" intermedia y también es altamente conductora.
Las propiedades del agua a nanoescala pueden ser muy diferentes de las que asociamos con el agua a granel. Entre otras características inusuales, el agua a nanoescala tiene una constante dieléctrica anormalmente baja, fluye casi sin fricción y puede existir en una fase de hielo cuadrado.
El estudio del agua nanoconfinada tiene importantes aplicaciones en el mundo real. Gran parte del agua en nuestro cuerpo está confinada dentro de cavidades estrechas, como los espacios dentro de las células, entre las membranas y en pequeños capilares, señala el líder del equipo. Venkat Kapil, químico teórico y científico de materiales en la Universidad de Cambridge, Reino Unido. Lo mismo ocurre con el agua encerrada dentro de las rocas o atrapada en el hormigón. Por lo tanto, comprender el comportamiento de esta agua podría ser fundamental para la biología, la ingeniería y la geología. También podría ser importante para el desarrollo de futuros nanodispositivos acuosos y para aplicaciones como nanofluídica, materiales electrolíticos y desalinización de agua.
En los últimos años, los investigadores han fabricado capilares hidrofóbicos artificiales con dimensiones a nanoescala. Esto les ha permitido medir las propiedades del agua cuando pasa a través de canales que son tan estrechos que las moléculas de agua no tienen suficiente espacio para mostrar su patrón habitual de enlaces de hidrógeno.
Sólo una molécula de espesor
En el último trabajo, Kapil y sus colegas estudiaron el agua atrapada entre dos láminas similares al grafeno, de modo que la capa de agua tenía solo una molécula de espesor. Usando simulaciones atomísticas, cuyo objetivo es modelar el comportamiento de todos los electrones y núcleos en un sistema, calcularon el diagrama de fase de presión-temperatura del agua. Este diagrama, que representa la temperatura en un eje y la presión en el otro, revela la fase más estable del agua en una determinada condición de presión y temperatura.
"Estas simulaciones suelen ser muy costosas desde el punto de vista computacional, por lo que combinamos muchos enfoques de última generación basados en la física estadística, la mecánica cuántica y el aprendizaje automático para reducir este costo", dice Kapil. Mundo de la física. “Estos ahorros computacionales nos permitieron simular rigurosamente el sistema a diferentes presiones y temperaturas y estimar las fases más estables”.
Los investigadores descubrieron que el agua monocapa presenta un comportamiento de fase sorprendentemente variado que es muy sensible a la temperatura y la presión que actúan dentro del nanocanal. En ciertos regímenes, muestra una fase “hexática”, que es intermedia entre un sólido y un líquido como lo predice la llamada teoría KTHNY que describe la fusión de cristales en confinamiento 2D. Esta teoría ganó a sus desarrolladores la 2016 Premio Nobel de Física para avanzar en nuestra comprensión del comportamiento de fase de los sólidos 2D.
Alta conductividad eléctrica
Los investigadores observaron que el agua nanoconfinada se vuelve altamente conductora, con una conductividad eléctrica de 10 a 1000 veces mayor que la de los materiales de las baterías. También encontraron que deja de existir en una fase molecular. “Los átomos de hidrógeno comienzan a moverse casi como un fluido a través de una red de oxígeno, como niños corriendo por un laberinto”, explica Kapil. “Este resultado es notable ya que solo se espera que una fase superiónica 'a granel' convencional sea estable en condiciones extremas como el interior de los planetas gigantes. Hemos sido capaces de estabilizarlo en condiciones suaves.
David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz ganan el Premio Nobel de Física 2016
“Parece que confinar los materiales en 2D puede dar lugar a propiedades muy interesantes o propiedades que sus contrapartes a granel solo exhiben en condiciones extremas”, continúa. “Esperamos que nuestro estudio ayude a descubrir nuevos materiales con propiedades interesantes. Sin embargo, nuestro objetivo más importante es comprender el agua, especialmente cuando está sujeta a condiciones muy complejas, como dentro de nuestros cuerpos”.
El equipo, que incluye investigadores del University College London, la Università di Napoli Federico II, la Universidad de Pekín y la Universidad de Tohoku, Sendai, ahora espera observar las fases que han simulado en experimentos del mundo real. “También estamos estudiando materiales 2D distintos de los similares al grafeno, ya que estos sistemas, en principio, podrían sintetizarse y estudiarse en el laboratorio”, revela Kapil. "Por lo tanto, debería ser posible una comparación uno a uno con los experimentos: crucemos los dedos".
El presente trabajo se detalla en Naturaleza.
