La misurazione delle forze tra superfici idrofobe a risoluzione molecolare mette in evidenza il contributo della natura quantistica degli atomi di idrogeno dell'acqua all'interazione idrofobica. Credito:2019 KAUST; Xavier Pita
Dalle gocce di pioggia che rotolano sulla superficie cerosa di una foglia di ninfea all'efficienza delle membrane di desalinizzazione, le interazioni tra le molecole d'acqua e le superfici "idrofobiche" idrorepellenti sono tutt'intorno a noi. L'interazione diventa ancora più intrigante quando un sottile strato d'acqua viene inserito tra due superfici idrofobiche, I ricercatori KAUST hanno dimostrato.
All'inizio degli anni '80, i ricercatori hanno notato per la prima volta un effetto inaspettato quando due superfici idrofobe sono state lentamente unite nell'acqua. "Ad un certo punto, le due superfici salterebbero improvvisamente in contatto, come due magneti che si avvicinano, " afferma Himanshu Mishra del Centro di desalinizzazione e riutilizzo dell'acqua di KAUST. Il laboratorio di Mishra studia l'acqua a tutte le scale di lunghezza, dalla riduzione del consumo di acqua in agricoltura, alle proprietà delle singole molecole d'acqua.
I ricercatori non sono stati in grado di spiegare il fenomeno a livello molecolare, quindi nel 2016 Mishra ha organizzato una conferenza KAUST sull'argomento. "Abbiamo riunito i leader del settore, sperimentatori e teorici, portando a intensi dibattiti sulla comprensione delle forze di superficie idrofobe, " lui dice.
Parte della sfida era che l'interazione idrofobica è unica per l'acqua. "Acquisire informazioni attraverso altri liquidi o aggiungere cosolventi all'acqua non è fattibile:l'interazione è drasticamente ridotta o persa, " spiega Buddha Shrestha, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Mishra.
Buddha Shreshtha carica un disco di silice con una superficie ultraliscia terminata con perfluorocarburi comprendenti 10 atomi di carbonio. Credito:© 2019 KAUST
Ispirato dalla conferenza, Mishra ha avuto l'idea di confrontare l'acqua normale con "acqua pesante, " in cui gli atomi di idrogeno sono sostituiti da un isotopo di idrogeno più pesante chiamato deuterio.
"Le nostre misurazioni della forza superficiale hanno rivelato che la forza di attrazione era sempre circa il 10% più alta in H 2 O che in D 2 Oh, "dice Sreekiran Pillai, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Mishra. Collaborando con Tod Pascal presso l'Università della California San Diego, la squadra ha fornito una spiegazione.
Più piccolo è un oggetto, quanto meno è governato dalle leggi della fisica classica e tanto più è soggetto agli effetti quantistici. Il minuscolo atomo di idrogeno è un oggetto quantistico, a volte si comporta come una particella, a volte più come un'onda. Deuterio, due volte più pesante dell'idrogeno, è meno soggetto agli effetti quantistici. La conseguenza è che D 2 O è meno destabilizzato di H 2 O quando viene schiacciato tra due superfici idrofobe e i legami idrogeno tra le molecole d'acqua si rompono.
Buddha Shreshtha (a sinistra) e Sreekiran Pillai (a destra) mettono a punto l'ottica dell'apparato di forza di superficie come osserva Himanshu Mishra. Credito:© 2019 KAUST
Questo apparato di forza superficiale sfrutta l'interferenza della luce per risolvere le distanze tra superfici ultralisce con una precisione di 0,1 nanometri. Credito:© 2019 KAUST
La scoperta può avere implicazioni pratiche, dice Mishra. "Per esempio, questi risultati potrebbero aiutare lo sviluppo di piattaforme nanofluidiche per la separazione molecolare".
"Questo è un lavoro davvero impressionante che mostra come gli effetti nucleari quantistici nell'acqua diventino sostanziali su scala nanometrica, " spiega il professor Mischa Bonn, direttore dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri. "I risultati mostrano che c'è ancora molto da imparare sull'acqua a livello fondamentale, ma con attinenza diretta all'acqua confinata su nanoscala in, ad esempio, nanopori utilizzati per la purificazione e la desalinizzazione dell'acqua."
