Acqua su scala nanometrica
Dominano le superfici, non l'ambiente
I ricercatori dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri hanno messo in discussione le precedenti ipotesi sul comportamento dell'acqua in spazi atomicamente piccoli. Utilizzando metodi spettroscopici e simulazioni, hanno analizzato l'acqua confinata a pochi strati molecolari. Il team guidato da Mischa Bonn ha scoperto che la struttura dell'acqua rimane straordinariamente "normale", finché non è limitata a meno di un nanometro, cioè molto più sottile di quanto si pensasse in precedenza.
Visualizzazione dell'acqua intrappolata: la figura mostra uno strato di molecole d'acqua (al centro) intrappolate tra il reticolo atomico del fluoruro di calcio (CaF₂, in alto) e uno strato di grafene (in basso).
La sfida: analizzare solo pochi strati d'acqua
Catturare la struttura di uno strato d'acqua spesso solo poche molecole è una sfida scientifica enorme. Il team ha sviluppato un dispositivo capillare su scala nanometrica intrappolando l'acqua tra un singolo strato di grafene e un substrato di fluoruro di calcio (CaF₂). Per rivelare la struttura microscopica dell'acqua intrappolata, hanno utilizzato la spettroscopia vibrazionale specifica per la superficie - compresi l'orientamento e il legame a idrogeno delle molecole - per "visualizzare" gli elusivi pochi strati di acqua.
Gli scienziati hanno scoperto che anche quando è limitata a soli tre strati di molecole - uno spazio appena più ampio delle molecole stesse - l'acqua al centro continua a mostrare proprietà simili a quelle dell'acqua ordinaria, in massa, a contatto con due superfici. Le interazioni alle interfacce, determinate dallo strato di grafene e dal substrato di CaF₂, hanno influenzato in modo significativo la disposizione e il comportamento delle molecole. Solo a dimensioni veramente angstrom, cioè a uno spessore inferiore a due strati molecolari, il confine spaziale stesso ha iniziato a riorganizzare strutturalmente l'acqua. Le simulazioni basate sull'apprendimento automatico hanno confermato i presupposti delle misure spettroscopiche, riproducendo le osservazioni e confermando le conclusioni.
"Questa ricerca cambia la nostra visione dell'acqua confinata", spiega il primo autore Yongkang Wang. "I nostri risultati sono rilevanti per molte applicazioni pratiche - come l'acqua nei nanocanali, nelle membrane o tra gli strati di materiali - dove sono le superfici a determinare le proprietà dell'acqua, non il confinamento spaziale in sé, tranne che per strati estremamente sottili su scala molecolare".
Importanza per la tecnologia, la biologia e la ricerca sui materiali
Questi risultati hanno importanti implicazioni per numerosi settori, dalla nanofluidica alla geologia, dalla biologia alla ricerca sui materiali. I risultati chiariscono che l'acqua nano-confinata - sia sulla terra che in dispositivi tecnici come membrane, circuiti nanofluidici o pori biologici - è ampiamente influenzata dagli effetti di superficie, anche quando è fortemente confinata. Solo per gli strati d'acqua di spessore inferiore a un nanometro le regole fisiche cambiano radicalmente.
Un nuovo punto di riferimento per la ricerca sull'acqua
"I nostri risultati stabiliscono un nuovo punto di riferimento", ha dichiarato l'ultimo autore Yuki Nagata. "Chiunque lavori con la cosiddetta 'acqua nano-confinata' dovrebbe esserne consapevole: È la chimica della superficie - non solo la geometria - a determinare le sue proprietà, a meno che il confinamento non raggiunga il limite più estremo".
La capacità di studiare e comprendere in modo specifico solo pochi strati di molecole d'acqua - quella regione di massima incertezza scientifica e tecnologica - rappresenta un progresso significativo nella ricerca sull'acqua. I risultati della ricerca non solo chiariscono questioni teoriche, ma aprono anche la strada allo sviluppo di futuri nanodispositivi, materiali e forse anche metodi per controllare con precisione le proprietà dell'acqua.
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Pubblicazione originale
Wang, Y.; Tang, F.; Yu, X.; Chiang, K.; Yu, C.; Ohto, T.; Chen, Y.; Nagata, Y.; Bonn, M.; "Interfaces govern the structure of angstrom-scale confined water solutions"; Nature Communications
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