Quando l’acqua è intrappolata in cavità strette su scala nanometrica, entra in una fase intermedia che non è né solida né liquida, ma da qualche parte nel mezzo. Questa è la scoperta di un team internazionale di ricercatori che ha utilizzato la fisica statistica, la meccanica quantistica e l’apprendimento automatico per studiare come cambiano le proprietà dell’acqua quando è confinata in spazi così piccoli. Analizzando il diagramma di fase pressione-temperatura di questa acqua nanoconfinata, come è noto, il team ha scoperto che presenta una fase “esatica” intermedia ed è anche altamente conduttiva.
Le proprietà dell’acqua su scala nanometrica possono essere molto diverse da quelle che associamo all’acqua sfusa. Tra le altre caratteristiche insolite, l’acqua su scala nanometrica ha una costante dielettrica anormalmente bassa, scorre quasi senza attrito e può esistere in una fase di ghiaccio quadrata.
Lo studio dell’acqua nanoconfinata ha importanti applicazioni nel mondo reale. Gran parte dell'acqua nel nostro corpo è confinata in cavità strette come gli spazi all'interno delle cellule, tra le membrane e nei piccoli capillari, osserva il leader del team Venkat Kapil, chimico teorico e scienziato dei materiali presso la Università di Cambridge, Regno Unito. Lo stesso vale per l’acqua rinchiusa nelle rocce o intrappolata nel cemento. Comprendere il comportamento di quest’acqua potrebbe quindi essere fondamentale per la biologia, l’ingegneria e la geologia. Potrebbe anche essere importante per lo sviluppo di futuri nanodispositivi acquosi e per applicazioni quali la nanofluidica, i materiali elettrolitici e la desalinizzazione dell'acqua.
Negli ultimi anni, i ricercatori hanno fabbricato capillari idrofobici artificiali con dimensioni su scala nanometrica. Ciò ha permesso loro di misurare le proprietà dell’acqua mentre passa attraverso canali così stretti che le molecole d’acqua non hanno abbastanza spazio per mostrare il loro consueto schema di legami idrogeno.
Spessa solo una molecola
Nell’ultimo lavoro, Kapil e colleghi hanno studiato l’acqua intrappolata tra due fogli simili al grafene, in modo tale che lo strato d’acqua fosse spesso solo una molecola. Utilizzando simulazioni atomistiche, che mirano a modellare il comportamento di tutti gli elettroni e i nuclei in un sistema, hanno calcolato il diagramma di fase pressione-temperatura dell'acqua. Questo diagramma, che traccia la temperatura su un asse e la pressione sull'altro, rivela la fase più stabile dell'acqua in una data condizione pressione-temperatura.
"Queste simulazioni sono solitamente molto costose dal punto di vista computazionale, quindi abbiamo combinato molti approcci all'avanguardia basati sulla fisica statistica, sulla meccanica quantistica e sull'apprendimento automatico per ridurre questo costo", spiega Kapil Mondo della fisica. “Questi risparmi computazionali ci hanno permesso di simulare rigorosamente il sistema a diverse pressioni e temperature e di stimare le fasi più stabili”.
I ricercatori hanno scoperto che l’acqua monostrato vanta un comportamento di fase sorprendentemente vario che è altamente sensibile alla temperatura e alla pressione che agisce all’interno del nanocanale. In certi regimi presenta una fase “esatica”, cioè intermedia tra solida e liquida, come previsto dalla cosiddetta teoria KTHNY che descrive la fusione dei cristalli in confinamento 2D. Questa teoria ha fatto guadagnare ai suoi sviluppatori il Premio Nobel 2016 per la Fisica per migliorare la nostra comprensione del comportamento di fase dei solidi 2D.
Alta conducibilità elettrica
I ricercatori hanno osservato che l’acqua nanoconfinata diventa altamente conduttiva, con una conduttività elettrica da 10 a 1000 volte superiore a quella dei materiali delle batterie. Hanno anche scoperto che cessa di esistere in una fase molecolare. "Gli atomi di idrogeno iniziano a muoversi quasi come un fluido attraverso un reticolo di ossigeno, diciamo come bambini che corrono in un labirinto", spiega Kapil. “Questo risultato è notevole poiché ci si aspetta che una fase superionica 'di massa' convenzionale sia stabile solo in condizioni estreme come l'interno dei pianeti giganti. Siamo stati in grado di stabilizzarlo in condizioni miti.
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"Sembra che il confinamento dei materiali in 2D possa portare a proprietà molto interessanti o proprietà che le loro controparti sfuse mostrano solo in condizioni estreme", continua. “Ci auguriamo che il nostro studio possa aiutare a svelare nuovi materiali con proprietà interessanti. Il nostro obiettivo più grande, tuttavia, è comprendere l’acqua, soprattutto quando è soggetta a condizioni molto complesse, come all’interno del nostro corpo”.
Il team, che comprende ricercatori dell'University College di Londra, dell'Università di Napoli Federico II, dell'Università di Pechino e dell'Università di Tohoku, Sendai, spera ora di osservare le fasi che hanno simulato negli esperimenti nel mondo reale. “Stiamo studiando anche materiali 2D diversi da quelli simili al grafene poiché questi sistemi potrebbero in linea di principio essere sintetizzati e studiati in laboratorio”, rivela Kapil. “Dovrebbe quindi essere possibile un confronto individuale con gli esperimenti – incrociamo le dita.”
Il presente lavoro è dettagliato in Natura.
