Quando a água fica presa em cavidades estreitas e em nanoescala, ela entra em uma fase intermediária que não é nem sólida nem líquida, mas em algum lugar no meio. Esta é a descoberta de uma equipe internacional de pesquisadores que usou física estatística, mecânica quântica e aprendizado de máquina para estudar como as propriedades da água mudam quando confinada em espaços tão pequenos. Ao analisar o diagrama de fases pressão-temperatura dessa água nanoconfinada, como é conhecida, a equipe descobriu que ela apresenta uma fase “hexática” intermediária e também é altamente condutora.
As propriedades da água em nanoescala podem ser muito diferentes daquelas que associamos à água em massa. Entre outras características incomuns, a água em nanoescala tem uma constante dielétrica anormalmente baixa, flui quase sem atrito e pode existir em uma fase quadrada de gelo.
O estudo da água nanoconfinada tem importantes aplicações no mundo real. Grande parte da água em nossos corpos está confinada em cavidades estreitas, como os espaços dentro das células, entre as membranas e em pequenos capilares, observa o líder da equipe Venkat Kapil, um químico teórico e cientista de materiais da Universidade de Cambridge, Reino Unido. O mesmo vale para a água trancada dentro de rochas ou presa em concreto. Compreender o comportamento desta água pode, portanto, ser central para a biologia, engenharia e geologia. Também pode ser importante para o desenvolvimento de futuros nanodispositivos aquosos e para aplicações como nanofluídica, materiais eletrolíticos e dessalinização de água.
Nos últimos anos, pesquisadores fabricaram capilares hidrofóbicos artificiais com dimensões em nanoescala. Isso permitiu que eles medissem as propriedades da água à medida que ela passa por canais tão estreitos que as moléculas de água não têm espaço suficiente para exibir seu padrão usual de ligação de hidrogênio.
Apenas uma molécula de espessura
No trabalho mais recente, Kapil e colegas estudaram a água presa entre duas folhas semelhantes ao grafeno, de modo que a camada de água tinha apenas uma molécula de espessura. Usando simulações atomísticas, que visam modelar o comportamento de todos os elétrons e núcleos de um sistema, eles calcularam o diagrama de fases pressão-temperatura da água. Este diagrama, que traça a temperatura em um eixo e a pressão no outro, revela a fase mais estável da água em uma determinada condição de pressão-temperatura.
“Essas simulações geralmente são muito caras computacionalmente, então combinamos muitas abordagens de última geração baseadas em física estatística, mecânica quântica e aprendizado de máquina para reduzir esse custo”, diz Kapil. Mundo da física. “Essa economia computacional nos permitiu simular rigorosamente o sistema em diferentes pressões e temperaturas e estimar as fases mais estáveis.”
Os pesquisadores descobriram que a água em monocamada possui um comportamento de fase surpreendentemente variado que é altamente sensível à temperatura e pressão atuando dentro do nanocanal. Em certos regimes, apresenta uma fase “hexática”, que é intermediária entre um sólido e um líquido conforme previsto pela chamada teoria KTHNY que descreve a fusão de cristais em confinamento 2D. Essa teoria rendeu aos seus desenvolvedores o Prêmio Nobel de Física de 2016 para avançar nossa compreensão do comportamento de fase de sólidos 2D.
Alta condutividade elétrica
Os pesquisadores observaram que a água nanoconfinada se torna altamente condutora, com uma condutividade elétrica 10 a 1000 vezes maior do que a dos materiais da bateria. Eles também descobriram que ele deixa de existir em uma fase molecular. “Os átomos de hidrogênio começam a se mover quase como um fluido através de uma rede de oxigênio, digamos como crianças correndo por um labirinto”, explica Kapil. “Este resultado é notável, uma vez que se espera que uma fase superiônica 'em massa' convencional seja estável apenas em condições extremas, como o interior de planetas gigantes. Conseguimos estabilizá-lo em condições amenas.
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“Parece que confinar materiais em 2D pode levar a propriedades muito interessantes ou propriedades que suas contrapartes em massa exibem apenas em condições extremas”, continua ele. “Esperamos que nosso estudo ajude a revelar novos materiais com propriedades interessantes. Nosso objetivo maior, no entanto, é entender a água, especialmente quando ela está sujeita a condições muito complexas, como dentro de nossos corpos.”
A equipe, que inclui pesquisadores da University College London, da Università di Napoli Federico II, da Peking University e da Tohoku University, Sendai, agora espera observar as fases que simularam em experimentos do mundo real. “Também estamos estudando materiais 2D que não sejam do tipo grafeno, pois esses sistemas podem, em princípio, ser sintetizados e estudados em laboratório”, revela Kapil. “Uma comparação individual com experimentos deve, portanto, ser possível – dedos cruzados.”
O presente trabalho é detalhado em Natureza.
