Água à nanoescala
As superfícies dominam - não a divisão
Os investigadores do Instituto Max Planck de Investigação de Polímeros questionaram fundamentalmente os pressupostos anteriores sobre o comportamento da água em espaços atomicamente pequenos. Utilizando métodos espectroscópicos e simulações, analisaram a água que está confinada a apenas algumas camadas moleculares. A equipa liderada por Mischa Bonn descobriu que a estrutura da água permanece notavelmente "normal" - até ser limitada a menos de um nanómetro, ou seja, muito mais fina do que se supunha anteriormente.
Visualização da água aprisionada: A figura mostra uma camada de moléculas de água (centro) aprisionada entre a rede atómica do fluoreto de cálcio (CaF₂, em cima) e uma camada de grafeno (em baixo).
O desafio: analisar apenas algumas camadas de água
Capturar a estrutura de uma camada de água com apenas algumas moléculas de espessura é um enorme desafio científico. A equipa desenvolveu um dispositivo capilar à nanoescala, prendendo a água entre uma única camada de grafeno e um substrato de fluoreto de cálcio (CaF₂). Para revelar a estrutura microscópica da água aprisionada, utilizaram a espetroscopia vibracional específica da superfície de última geração - incluindo a orientação e a ligação de hidrogénio das moléculas - para "visualizar" as poucas camadas de água indescritíveis.
Os cientistas descobriram que, mesmo quando limitada a apenas três camadas de moléculas - um espaço pouco mais largo do que as próprias moléculas - a água no centro continua a apresentar propriedades semelhantes às da água normal em contacto com duas superfícies. As interações nas interfaces, determinadas pela camada de grafeno e pelo substrato de CaF₂, influenciaram significativamente a disposição e o comportamento das moléculas. Somente em dimensões Angstrom verdadeiras, ou seja, com uma espessura inferior a duas camadas moleculares, o próprio limite espacial começou a reorganizar estruturalmente a água. As simulações baseadas na aprendizagem automática confirmaram os pressupostos das medições espectroscópicas, reproduziram as observações e confirmaram as conclusões.
"Esta investigação muda a nossa visão da água confinada", explica o primeiro autor Yongkang Wang. "Os nossos resultados são relevantes para muitas aplicações práticas - como a água em nanocanais, membranas ou entre camadas de materiais - em que as superfícies determinam as propriedades da água e não o confinamento espacial em si, exceto para camadas extremamente finas à escala molecular."
Grande importância para a investigação tecnológica, biológica e de materiais
Estas descobertas têm implicações importantes para numerosas áreas - desde a nanofluídica e a geologia até à biologia e à investigação de materiais. Os resultados tornam claro que a água nano-confinada - seja na terra ou em dispositivos técnicos como membranas, circuitos nanofluídicos ou poros biológicos - é largamente influenciada por efeitos de superfície, mesmo quando fortemente confinada. Só para camadas de água com menos de um nanómetro de espessura é que as regras físicas mudam fundamentalmente.
Uma nova referência para a investigação sobre a água
"Os nossos resultados estabelecem uma nova referência", afirmou o último autor Yuki Nagata. Qualquer pessoa que trabalhe com a chamada "água nano-confinada" deve estar ciente deste facto: É a química da superfície - e não apenas a geometria - que determina as suas propriedades, a menos que o confinamento atinja o limite máximo".
A capacidade de estudar e compreender especificamente apenas algumas camadas de moléculas de água - a região de maior incerteza científica e tecnológica - representa um avanço significativo na investigação sobre a água. Os resultados da investigação não só clarificam questões teóricas, como também abrem caminho para o desenvolvimento de futuros nanodispositivos, materiais e possivelmente até métodos para controlar com precisão as propriedades da água.
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Publicação original
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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