Acqua e ghiaccio potrebbero non essere tra le prime cose che ti vengono in mente quando pensi ai nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), ma un team di ricerca con sede in Giappone che sperava di ottenere una comprensione più chiara del comportamento di fase dell'acqua confinata nei pori cilindrici dei nanotubi di carbonio si è concentrato sulle proprietà dell'acqua confinata e ha fatto alcune scoperte sorprendenti.

Il gruppo, dell'Università Metropolitana di Tokyo, Università di Nagoya, Agenzia giapponese per la scienza e la tecnologia, e Istituto Nazionale di Scienze e Tecnologie Industriali Avanzate, descrive le loro scoperte nell'American Institute of Physics' Giornale di Fisica Chimica .

Sebbene i nanotubi di carbonio siano costituiti da fogli di grafene idrofobo (idrorepellente), studi sperimentali sugli SWCNT mostrano che l'acqua può effettivamente essere confinata in nanotubi di carbonio aperti.

Questa scoperta ci offre una comprensione più profonda delle proprietà dell'acqua nanoconfinata all'interno dei pori degli SWCNT, che è una chiave per il futuro della nanoscienza. Si prevede che l'acqua nanoconfinata all'interno dei nanotubi di carbonio possa aprire la porta allo sviluppo di una varietà di nuove ed eleganti nanocose:sistemi di nanofiltrazione, nanovalvole molecolari, pompe idrauliche molecolari, celle di potenza su nanoscala, e persino dispositivi ferroelettrici su scala nanometrica.

"Quando i materiali sono confinati su scala atomica mostrano proprietà insolite non altrimenti osservate, a causa del cosiddetto "effetto nanoconfinamento". In geologia, Per esempio, l'acqua nanoconfinata fornisce la forza trainante per i sollevamenti di gelo nel suolo, e anche per il rigonfiamento dei minerali argillosi, " spiega Yutaka Maniwa, professore presso il Dipartimento di Fisica della Tokyo Metropolitan University. "Abbiamo studiato sperimentalmente questo tipo di effetto per l'acqua utilizzando SWCNT".

L'acqua all'interno di SWCNT nell'intervallo da 1,68 a 2,40 nanometri subisce un tipo di transizione umido-secco quando la temperatura diminuisce. E il team ha scoperto che quando gli SWCNT sono estremamente stretti, l'acqua all'interno forma ghiacci tubuli che sono molto diversi da qualsiasi ghiaccio sfuso finora conosciuto. Sorprendentemente, il loro punto di fusione aumenta al diminuire del diametro SWCNT, contrariamente a quello dell'acqua sfusa all'interno di un capillare di grande diametro. Infatti, il ghiaccio tubulo si è verificato anche a temperatura ambiente all'interno degli SWCNT.

"Abbiamo esteso i nostri studi agli SWCNT di diametro maggiore fino a 2,40 nanometri e abbiamo proposto con successo un comportamento di fase globale dell'acqua, " dice Maniwa. "Questo diagramma di fase (vedi figura) copre un passaggio da regioni microscopiche a regioni macroscopiche. Nella regione macroscopica, una nuova transizione umido-secco è stata recentemente esplorata a bassa temperatura".

Risultati come questi contribuiscono a una maggiore comprensione della scienza fondamentale perché l'acqua nanoconfinata esiste e svolge un ruolo vitale ovunque sulla Terra, compresi i nostri corpi. "Comprendere l'effetto dei nanoconfinati sulle proprietà dei materiali è fondamentale anche per sviluppare nuovi dispositivi, come membrane conduttrici di protoni e nanofiltrazione, "Note di Maniwa.

Prossimo, il team prevede di indagare sulle proprietà fisiche dell'acqua confinata scoperte finora all'interno degli SWCNT (come la dielettricità e la conduzione dei protoni). Lo perseguiranno per ottenere una migliore comprensione della struttura molecolare e delle proprietà di trasporto nei sistemi biologici.