Un team del MIT ha trovato una scoperta inaspettata sull'acqua:all'interno del più piccolo degli spazi - nei nanotubi di carbonio le cui dimensioni interne non sono molto più grandi di poche molecole d'acqua - l'acqua può congelare solida anche a temperature elevate che normalmente la farebbero bollire. La scoperta potrebbe portare a nuove applicazioni come i fili pieni di ghiaccio. Credito:per gentile concessione dei ricercatori
È risaputo che l'acqua, a livello del mare, inizia a bollire ad una temperatura di 212 gradi Fahrenheit, o 100 gradi Celsius. E gli scienziati hanno da tempo osservato che quando l'acqua è confinata in spazi molto piccoli, i suoi punti di ebollizione e congelamento possono cambiare un po', di solito scende di circa 10 C o giù di lì.
Ma ora, un team del MIT ha trovato una serie di cambiamenti completamente inaspettati:all'interno del più piccolo degli spazi, nei nanotubi di carbonio le cui dimensioni interne non sono molto più grandi di poche molecole d'acqua, l'acqua può congelare solida anche a temperature elevate che normalmente la farebbero bollire.
La scoperta illustra come anche materiali molto familiari possono cambiare drasticamente il loro comportamento quando intrappolati all'interno di strutture misurate in nanometri, o miliardesimi di metro. E la scoperta potrebbe portare a nuove applicazioni, come, essenzialmente, fili pieni di ghiaccio, che sfruttano le proprietà elettriche e termiche uniche del ghiaccio rimanendo stabili a temperatura ambiente.
I risultati vengono riportati oggi sulla rivista Nanotecnologia della natura , in un articolo di Michael Strano, il Professore di Carbon P. Dubbs in Ingegneria Chimica al MIT; postdoc Kumar Agrawal; e altri tre.
"Se confinate un fluido in una nanocavità, puoi effettivamente distorcere il suo comportamento di fase, "Strano dice, riferendosi a come e quando la sostanza cambia da solido, liquido, e fasi gassose. Tali effetti erano attesi, ma l'enorme grandezza del cambiamento, e la sua direzione (innalzamento anziché abbassare il punto di congelamento), sono stati una completa sorpresa:in uno dei test del team, l'acqua si è solidificata ad una temperatura di 105 C o più. (La temperatura esatta è difficile da determinare, ma 105 C è stato considerato il valore minimo in questo test; la temperatura effettiva avrebbe potuto raggiungere i 151 C.)
"L'effetto è molto più grande di quanto chiunque avesse previsto, "dice Strano.
Si scopre che il modo in cui il comportamento dell'acqua cambia all'interno dei minuscoli nanotubi di carbonio, struttura la forma di una cannuccia di soda, fatto interamente di atomi di carbonio ma solo pochi nanometri di diametro, dipende in modo cruciale dal diametro esatto dei tubi. "Queste sono davvero le pipe più piccole a cui potresti pensare, " dice Strano. Negli esperimenti, i nanotubi sono stati lasciati aperti ad entrambe le estremità, con serbatoi d'acqua ad ogni apertura.
Anche la differenza tra i nanotubi di 1,05 nanometri e 1,06 nanometri di diametro ha fatto una differenza di decine di gradi nel punto di congelamento apparente, i ricercatori hanno scoperto. Tali differenze estreme erano completamente inaspettate. "Tutte le scommesse sono spente quando diventi davvero piccolo, "Dice Strano. "È davvero uno spazio inesplorato."
Nei primi tentativi di capire come si sarebbero comportati l'acqua e altri fluidi se confinati in spazi così piccoli, "ci sono state alcune simulazioni che hanno mostrato risultati davvero contraddittori, " dice. Parte del motivo è che molti team non sono stati in grado di misurare le dimensioni esatte dei loro nanotubi di carbonio in modo così preciso, non rendendosi conto che differenze così piccole potrebbero produrre risultati così diversi.
Infatti, è sorprendente che l'acqua entri anche in questi minuscoli tubi in primo luogo, Strano dice:si pensa che i nanotubi di carbonio siano idrofobici, o idrorepellente, quindi le molecole d'acqua dovrebbero avere difficoltà a entrare. Il fatto che ottengano l'accesso rimane un po' un mistero, lui dice.
Strano e il suo team hanno utilizzato sistemi di imaging altamente sensibili, utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia vibrazionale, che potrebbe tracciare il movimento dell'acqua all'interno dei nanotubi, rendendo così il suo comportamento oggetto per la prima volta di una misurazione dettagliata.
Il team può rilevare non solo la presenza di acqua nel tubo, ma anche la sua fase, dice:"Possiamo dire se è vapore o liquido, e possiamo dire se è in una fase rigida." Mentre l'acqua entra decisamente in una fase solida, il team evita di chiamarlo "ghiaccio" perché quel termine implica un certo tipo di struttura cristallina, che non hanno ancora potuto dimostrare in modo definitivo che esiste in questi spazi ristretti. "Non è necessariamente ghiaccio, ma è una fase simile al ghiaccio, "dice Strano.
Poiché questa acqua solida non si scioglie fino a quando non è ben al di sopra del normale punto di ebollizione dell'acqua, dovrebbe rimanere perfettamente stabile a tempo indeterminato a temperatura ambiente. Ciò lo rende potenzialmente un materiale utile per una varietà di possibili applicazioni, lui dice. Per esempio, dovrebbe essere possibile realizzare "fili di ghiaccio" che sarebbero tra i migliori vettori noti per i protoni, perché l'acqua conduce i protoni almeno 10 volte più facilmente dei tipici materiali conduttivi. "Questo ci dà cavi dell'acqua molto stabili, a temperatura ambiente, " lui dice.
