Le scoperte rivoluzionarie, riportato sul giornale Natura , consentono una migliore comprensione del comportamento controintuitivo dell'acqua su scala molecolare e sono importanti per lo sviluppo di tecnologie più efficienti, compresa la filtrazione, dissalazione e distillazione.

L'acqua è una delle sostanze più familiari e abbondanti sulla Terra. Esiste in molte forme, come liquido, vapore e ben 15 strutture cristalline di ghiaccio, con il ghiaccio esagonale che si trova comunemente è l'unico responsabile dell'affascinante varietà di fiocchi di neve.

Meno evidente ma ugualmente onnipresente è l'acqua alle interfacce e confinata in pori microscopici. Infatti, pochi monostrati d'acqua ricoprono ogni superficie intorno a noi, anche nei deserti più aridi, e riempire ogni singola microscopica crepa, Per esempio, quelli presenti nelle rocce.

Ancora, si sa molto poco della struttura e del comportamento di tale acqua microscopica, soprattutto quando è nascosto alla vista, in capillari profondi all'interno di un materiale sfuso.

Un team internazionale di ricercatori dell'Università di Manchester, l'Università di Ulm in Germania e l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina hanno creato un capillare trasparente su nanoscala per studiare la struttura atomica dell'acqua intrappolata all'interno. Hanno usato la microscopia elettronica ad alto ingrandimento che ha permesso loro di vedere singole molecole d'acqua, e il nano-capillare è stato realizzato in grafene che ha uno spessore di un atomo e non oscura l'imaging al microscopio elettronico.

Con loro sorpresa, gli scienziati hanno trovato piccoli cristalli quadrati di ghiaccio a temperatura ambiente, a condizione che i capillari del grafene fossero sufficientemente stretti, consentendo non più di tre strati atomici di acqua. Le molecole d'acqua formavano un reticolo quadrato, seduti lungo file ordinate equamente distanziate che corrono perpendicolari l'una all'altra. Una disposizione quadrata così piatta è del tutto insolita per l'acqua le cui molecole formano sempre piccole strutture piramidali all'interno di tutti i ghiacci precedentemente conosciuti.

Utilizzando simulazioni al computer, i ricercatori hanno anche tentato di scoprire quanto sia comune in natura il ghiaccio quadrato. I risultati mostrano che, se lo strato d'acqua è abbastanza sottile, dovrebbe formare ghiaccio quadrato indipendentemente dall'esatta composizione chimica delle pareti di confinamento di un nanoporo.

Perciò, è probabile che il ghiaccio quadrato sia molto comune su scala molecolare e presente sulla punta di ogni microscopica fessura o poro in qualsiasi materiale.

Professoressa Irina Grigorieva, che ha guidato la parte di Manchester degli sforzi, ha commentato:"Gli scienziati hanno cercato di capire la struttura dell'acqua confinata all'interno di stretti canali per decenni, ma fino ad ora era possibile solo tramite simulazioni al computer, e i risultati spesso non andavano d'accordo tra loro".

"Crepe microscopiche, pori, i canali sono ovunque, e non solo su questo pianeta. Sapere che l'acqua su scala nanometrica si comporta in modo così diverso dalla comune acqua sfusa è importante per una migliore comprensione dei materiali".

Sir André Geim, che ha ricevuto un premio Nobel per il grafene e ora ha co-scritto l'articolo, ha dichiarato:"Questo studio è stato stimolato dalle nostre precedenti osservazioni sul flusso ultraveloce di acqua attraverso i nanocapillari di grafene. Abbiamo persino ipotizzato che ciò potesse essere dovuto al ghiaccio quadrato bidimensionale ... ma vedere per credere".

Ha aggiunto:"L'acqua è probabilmente la sostanza più studiata di sempre, ma nessuno pensava che il ghiaccio potesse essere quadrato. Questa storia mostra quanta nuova conoscenza rimane da scoprire quando si scende alla nanoscala".