Superfícies, não confinamento, governar até os limites mais finos

Pesquisadores do Instituto Max Planck de Pesquisa de Polímeros aumentaram as suposições sobre como a água se comporta quando espremida em espaços em escala de átomos. Ao aplicar ferramentas espectroscópicas, juntamente com a técnica de simulação de aprendizado de máquina, para a água confinada em um espaço de apenas algumas moléculas de espessura, a equipe, liderada por Mischa Bonn, descobriu que a estrutura da água permanece surpreendentemente “regular” até ficar confinada abaixo de um nanômetro, mais fino do que se acreditava anteriormente.

A pesquisa, “Interfaces governam a estrutura das soluções de água confinada em escala de Angstrom”, foi publicado em Comunicações da natureza.

Olhar para a estrutura de uma camada de moléculas de água com apenas algumas moléculas de espessura é um desafio científico formidável. A equipe fabricou um dispositivo capilar em nanoescala prendendo a água entre uma única camada de grafeno e um substrato de fluoreto de cálcio (CAF₂). Em seguida, eles empunharam a espectroscopia específica da superfície vibracional de ponta-capaz de detectar a estrutura microscópica da água confinada, incluindo a orientação e a ligação de hidrogênio das moléculas de água-para “ver” as poucas camadas ilusórias de água.

Os pesquisadores observaram que, mesmo quando a água estava confinada a três camadas moleculares – um espaço quase mais largo que as próprias moléculas – as propriedades da água no centro ainda imitavam as da água a granel comum em contato com duas superfícies. Os efeitos interfaciais, determinados pela folha de grafeno e substrato da CAF₂, ditaram esmagadoramente o arranjo e o comportamento das moléculas.

Somente quando reduzido a dimensões verdadeiramente em escala de Angstrom, onde a água é mais fina que duas camadas, o confinamento actual começou a dominar e reorganizar o líquido em um nível estrutural. A previsão de técnicas de simulação baseada em aprendizado de máquina pode validar suposições usadas na medição espectroscópica, reproduzir bem a observação e confirmar as conclusões.

“Esta pesquisa muda nossa perspectiva sobre água confinada”, explicou o primeiro autor Yongkang Wang. “Nossas descobertas são relevantes para a maioria dos cenários práticos – como água em nanocanais, membranas ou entre materiais em camadas – onde são as superfícies que ditam as propriedades da água, não o próprio confinamento espacial, exceto em desaparecer (que se aproximam) de espessura”.

Implicações amplas para ciência de tecnologia, biologia e materiais

Esses insights apresentam grandes implicações para uma ampla gama de campos, desde nanofluídicos e geologia até biologia e materiais avançados. Os resultados esclarecem que a maioria dos nanoconfinados na Terra ou em dispositivos tecnológicos – como em membranas, circuitos nanofluídicos ou poros biológicos – permanecem governados por fenômenos interfaciais, mesmo sob extremo confinamento. Somente para lascas de água com menos de um nanômetro de espessura, as regras mudam realmente.

Empurrando as fronteiras da ciência da água

“Nossos resultados estabeleceram uma nova referência”, disse o autor correspondente Yuki Nagata. “Se você está trabalhando com a chamada ‘água nanoconfinada’ ‘, é a química da superfície-não apenas geometria-que determina suas propriedades, a menos que o confinamento seja empurrado para o limite”.

A capacidade de investigar e entender apenas algumas camadas de moléculas de água – a região do maior mistério científico e tecnológico – marca um avanço significativo para o campo. Este trabalho não apenas resolve os principais debates teóricos, mas também aponta o caminho para projetar futuros nanodevices, materiais e talvez até métodos para controlar águaPropriedades das propriedades com precisão sem precedentes.