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Gli scienziati dell'Università di Cambridge hanno scoperto che l'acqua in uno strato di una molecola non agisce né come un liquido né come un solido e che diventa altamente conduttiva ad alte pressioni.
Si sa molto su come si comporta "l'acqua sfusa":si espande quando gela e ha un alto punto di ebollizione. Ma quando l'acqua viene compressa su scala nanometrica, le sue proprietà cambiano drasticamente.
Sviluppando un nuovo modo per prevedere questo comportamento insolito con una precisione senza precedenti, i ricercatori hanno rilevato diverse nuove fasi dell'acqua a livello molecolare.
L'acqua intrappolata tra le membrane o in minuscole cavità su scala nanometrica è comune:può essere trovata in qualsiasi cosa, dalle membrane dei nostri corpi alle formazioni geologiche. Ma questa acqua nanoconfinata si comporta in modo molto diverso dall'acqua che beviamo.
Finora, le sfide della caratterizzazione sperimentale delle fasi dell'acqua su scala nanometrica hanno impedito una piena comprensione del suo comportamento. Ma in un articolo pubblicato sulla rivista Nature , il team guidato da Cambridge descrive come hanno utilizzato i progressi negli approcci computazionali per prevedere il diagramma di fase di uno spesso strato d'acqua di una molecola con una precisione senza precedenti.
Hanno utilizzato una combinazione di approcci computazionali per consentire l'indagine di primo livello di principi su un singolo strato d'acqua.
I ricercatori hanno scoperto che l'acqua che è confinata in uno spesso strato di una molecola attraversa diverse fasi, tra cui una fase "esatica" e una fase "superionica". Nella fase esatica, l'acqua non agisce né come un solido né come un liquido, ma come una via di mezzo. Nella fase superionica, che si verifica a pressioni più elevate, l'acqua diventa altamente conduttiva, spingendo rapidamente i protoni attraverso il ghiaccio in un modo simile al flusso di elettroni in un conduttore.
Comprendere il comportamento dell'acqua su scala nanometrica è fondamentale per molte nuove tecnologie. Il successo dei trattamenti medici può dipendere da come reagirà l'acqua intrappolata nelle piccole cavità del nostro corpo. Lo sviluppo di elettroliti altamente conduttivi per le batterie, la desalinizzazione dell'acqua e il trasporto senza attrito dei fluidi dipendono tutti dalla previsione del comportamento dell'acqua confinata.
"Per tutte queste aree, la comprensione del comportamento dell'acqua è la questione fondamentale", ha affermato il dottor Venkat Kapil del dipartimento di chimica Yusuf Hamied di Cambridge, il primo autore del documento. "Il nostro approccio consente lo studio di un singolo strato d'acqua in un canale simile al grafene con un'accuratezza predittiva senza precedenti."
I ricercatori hanno scoperto che lo spesso strato d'acqua di una molecola all'interno del nanocanale mostrava un comportamento di fase ricco e diversificato. Il loro approccio prevede diverse fasi che includono la fase esatica, un intermedio tra un solido e un liquido, e anche una fase superionica, in cui l'acqua ha un'elevata conduttività elettrica.
"La fase esatica non è né un solido né un liquido, ma un intermedio, che concorda con le precedenti teorie sui materiali bidimensionali", ha detto Kapil. "Il nostro approccio suggerisce anche che questa fase può essere vista sperimentalmente confinando l'acqua in un canale di grafene.
"L'esistenza della fase superionica in condizioni facilmente accessibili è peculiare, poiché questa fase si trova generalmente in condizioni estreme come il nucleo di Urano e Nettuno. Un modo per visualizzare questa fase è che gli atomi di ossigeno formano un reticolo solido e i protoni scorrono come un liquido attraverso il reticolo, come bambini che corrono in un labirinto."
I ricercatori affermano che questa fase superionica potrebbe essere importante per i futuri materiali degli elettroliti e delle batterie poiché mostra una conduttività elettrica da 100 a 1.000 volte superiore rispetto ai materiali delle batterie attuali.
I risultati non solo aiuteranno a capire come funziona l'acqua su scala nanometrica, ma suggeriscono anche che il "nanoconfinamento" potrebbe essere una nuova strada per trovare il comportamento superionico di altri materiali. + Esplora ulteriormente
