Gli scienziati spesso trovano cose strane e inaspettate quando osservano i materiali su scala nanometrica, il livello di singoli atomi e molecole. Questo vale anche per i materiali più comuni, come l'acqua.

Caso in questione:negli ultimi due anni, i ricercatori hanno osservato che l'acqua scorre spontaneamente in tubi estremamente piccoli di grafite o grafene, chiamati nanotubi di carbonio. Questa osservazione inaspettata è intrigante perché i nanotubi di carbonio sono promettenti nei campi emergenti della nanofluidica e della nanofiltrazione, dove i nanotubi potrebbero essere in grado di aiutare a mantenere piccoli flussi o separare le impurità dall'acqua. Però, nessuno è riuscito a spiegare perché, a livello molecolare, un liquido stabile vorrebbe confinarsi in un'area così piccola.

Ora, utilizzando un nuovo metodo per calcolare la dinamica delle molecole d'acqua, I ricercatori del Caltech credono di aver risolto il mistero. Si scopre che l'entropia, una misura del disordine, è stata la chiave mancante.

"È un risultato piuttosto sorprendente, "dice William Goddard, il professore di chimica Charles e Mary Ferkel, Scienza dei materiali, e fisica applicata al Caltech e direttore del Materials and Process Simulation Center. "Le persone normalmente si concentrano sull'energia in questo problema, non entropia."

Questo perché l'acqua forma una vasta rete di legami idrogeno, che lo rende molto stabile. Rompere queste interazioni forti richiede energia. E poiché alcuni legami devono essere rotti affinché l'acqua possa fluire in piccoli nanotubi, sembrerebbe improbabile che l'acqua lo faccia liberamente.

"Quello che abbiamo scoperto è che in realtà è un compromesso, "Dice Goddard. "Perdi un po' di quella buona stabilizzazione energetica dal legame, ma nel processo guadagni in entropia."

L'entropia è una delle forze trainanti che determinano se un processo si verificherà spontaneamente. Rappresenta il numero di modi in cui un sistema può esistere in un particolare stato. Maggiore è il numero di disposizioni disponibili per un sistema, maggiore è il suo disordine, e maggiore è l'entropia. E in generale, la natura procede verso il disordine.

Quando l'acqua è idealmente legata, tutti i legami idrogeno bloccano le molecole in posizione, limitando la loro libertà e mantenendo bassa l'entropia dell'acqua. Ciò che Goddard e lo studioso post-dottorato Tod Pascal hanno scoperto è che nel caso di alcuni nanotubi, l'acqua guadagna abbastanza entropia entrando nei tubi per superare le perdite di energia subite rompendo alcuni dei suoi legami a idrogeno. Perciò, l'acqua scorre spontaneamente nei tubi.

Goddard e Pascal spiegano le loro scoperte in un articolo recentemente pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS) . Hanno esaminato i nanotubi di carbonio con diametri compresi tra 0,8 e 2,7 nanometri e hanno trovato tre diversi motivi per cui l'acqua scorrerebbe liberamente nei tubi, a seconda del diametro.

Per i nanotubi più piccoli, quelli tra 0,8 e 1,0 nanometri di diametro, i tubi sono così minuscoli che le molecole d'acqua si allineano quasi in fila indiana al loro interno e assumono uno stato simile a un gas. Ciò significa che la normale struttura legata dell'acqua liquida si rompe, dando alle molecole una maggiore libertà di movimento. Questo aumento di entropia attira l'acqua nei tubi.

Al livello successivo, dove i nanotubi hanno diametri compresi tra 1,1 e 1,2 nanometri, le molecole d'acqua confinate si dispongono impilate, cristalli simili al ghiaccio. Goddard e Pascal hanno scoperto che tali nanotubi erano delle dimensioni perfette, una specie di fiammifero di riccioli d'oro, per accogliere l'acqua cristallizzata. Queste interazioni di legame cristallino, non entropia, rendere favorevole il flusso dell'acqua nei tubi.

Sulla scala più ampia studiata, che coinvolge tubi i cui diametri sono ancora larghi solo da 1,4 a 2,7 nanometri, i ricercatori hanno scoperto che le molecole d'acqua confinate si comportano più come l'acqua liquida. Però, di nuovo, alcuni dei normali legami idrogeno sono rotti, quindi le molecole mostrano più libertà di movimento all'interno dei tubi. E i guadagni di entropia compensano ampiamente la perdita di energia del legame idrogeno.

Poiché gli interni dei nanotubi di carbonio sono troppo piccoli per essere esaminati sperimentalmente dai ricercatori, Goddard e Pascal hanno studiato la dinamica delle molecole d'acqua confinate in simulazioni. Utilizzando un nuovo metodo sviluppato dal gruppo di Goddard con un supercomputer, sono stati in grado di calcolare l'entropia per le singole molecole d'acqua. Nel passato, tali calcoli sono stati difficili ed estremamente dispendiosi in termini di tempo. Ma il nuovo approccio, soprannominato il modello termodinamico bifase, ha reso la determinazione dei valori di entropia relativamente facile per qualsiasi sistema.

"I vecchi metodi impiegavano otto anni di tempo di elaborazione del computer per arrivare alle stesse entropie che otteniamo ora in 36 ore, "Dice Goddard.

Il team ha anche eseguito simulazioni utilizzando una descrizione alternativa dell'acqua, una in cui l'acqua aveva le sue consuete proprietà energetiche, densità, e viscosità, ma mancava del suo caratteristico legame idrogeno. In quel caso, l'acqua non voleva fluire nei nanotubi, fornendo ulteriore prova che la bassa entropia naturale dell'acqua dovuta all'esteso legame idrogeno porta a riempire spontaneamente i nanotubi di carbonio quando l'entropia aumenta.

Goddard crede che i nanotubi di carbonio potrebbero essere usati per progettare supermolecole per la purificazione dell'acqua. Incorporando pori con gli stessi diametri dei nanotubi di carbonio, pensa che si possa fare un polimero per aspirare l'acqua dalla soluzione. Tale potenziale applicazione indica la necessità di una maggiore comprensione del trasporto dell'acqua attraverso i nanotubi di carbonio.