Molecole d'acqua in movimento: dinamiche sorprendenti su materiali 2D
Invece di saltare, le molecole d'acqua camminano: l'Università di Tecnologia di Graz e l'Università del Surrey mostrano come l'acqua si muova in modi sorprendentemente diversi su materiali ultrasottili.
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In uno studio pubblicato su Nature Communications, i ricercatori della Graz University of Technology (TU Graz) e dell'Università del Surrey hanno testato due materiali ultrasottili, simili a fogli con struttura a nido d'ape: il grafene e il nitruro di boro esagonale (h-BN). Mentre il grafene è elettricamente conduttivo - il che lo rende un concorrente chiave per l'elettronica, i sensori e le batterie del futuro - l'h-BN, spesso chiamato "grafite bianca", è un materiale ceramico ad alte prestazioni e un isolante elettrico.
I ricercatori hanno scoperto che questa sottile differenza cambia completamente il modo in cui l'acqua interagisce con le superfici. Invece di saltare tra punti fissi come avviene sul grafene, le singole molecole d'acqua sull'h-BN si muovono con un movimento fluido e rotolante, quasi come se stessero camminando.
Molecole d'acqua in movimento
A. Tamtögl - TU Graz
Nuove intuizioni per la progettazione di superfici
Questo comportamento inaspettato dimostra come anche le più piccole variazioni nella struttura atomica di un materiale possano alterare drasticamente il modo in cui l'acqua si muove su scala nanometrica, offrendo agli scienziati nuovi spunti per la progettazione di superfici che controllano l'attrito, la bagnatura e la formazione di ghiaccio.
Per catturare il movimento, il team di Graz ha utilizzato una tecnica altamente sensibile chiamata spettroscopia di spin-echo dell'elio, che può tracciare il movimento di singole molecole senza disturbarle. I ricercatori del Surrey hanno anche eseguito simulazioni avanzate al computer per modellare ciò che accadeva a livello atomico.
Insieme, gli esperimenti e le simulazioni hanno dimostrato che l'acqua subisce un minore attrito sull'h-BN, in particolare quando il materiale è supportato dal nichel, consentendo alla molecola di muoversi più liberamente. Sul grafene, invece, il metallo sottostante rafforza l'interazione tra la molecola e la superficie, aumentando l'attrito e rendendo il movimento meno fluido.
Il materiale di supporto è fondamentale
"Il supporto sotto il materiale 2D si è rivelato fondamentale: può cambiare completamente il comportamento dell'acqua e persino invertire ciò che ci aspettavamo", spiega Anton Tamtögl dell'Istituto di fisica sperimentale della TU Graz. Se riusciamo a regolare il movimento dell'acqua con la giusta scelta del materiale e del substrato, potremmo progettare superfici che controllano la bagnatura o resistono alla formazione di ghiaccio". Queste intuizioni potrebbero trasformare le tecnologie che si basano sulla manipolazione dell'acqua su scala nanometrica, dai rivestimenti e lubrificanti avanzati alle membrane di desalinizzazione".
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