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(Noticias de Nanowerk) Científicos de la Universidad de Cambridge han descubierto que el agua no actúa ni como líquido ni como sólido en una capa de una sola molécula y que a altas presiones se vuelve muy conductora.
Se sabe mucho sobre cómo se comporta el “agua a granel”: se expande cuando se congela y tiene un alto punto de ebullición. Pero cuando el agua se comprime a nanoescala, sus propiedades cambian drásticamente.
Al desarrollar un nuevo método para predecir este comportamiento inusual con una precisión sin precedentes, los investigadores han descubierto varias fases nuevas del agua a nivel molecular.
El agua atrapada entre las membranas o en diminutas cavidades a nanoescala está muy extendida: se puede encontrar en todo, desde las membranas de nuestro cuerpo hasta las formaciones geológicas. Pero esta agua nanoconfinada se comporta de manera muy diferente al agua que bebemos.
Hasta ahora, los desafíos de caracterizar experimentalmente las fases del agua a nanoescala han impedido una comprensión completa de su comportamiento. Pero en un artículo publicado en la revista Naturaleza («El diagrama de fase de los primeros principios del agua nanoconfinada monocapa»), el equipo dirigido por Cambridge describe cómo han utilizado los avances en enfoques computacionales para predecir el diagrama de fase de una capa de agua de una molécula de espesor con una precisión sin precedentes.
Utilizaron una combinación de enfoques computacionales para permitir el estudio de una sola capa de agua en el nivel de primeros principios.
Los investigadores descubrieron que el agua atrapada en una capa de una molécula de espesor pasa por varias fases, incluida una fase ‘hexática’ y una fase ‘superiónica’. En la fase hexática, el agua no actúa ni como sólido ni como líquido, sino como algo intermedio. En la fase superiónica, que ocurre a presiones más altas, el agua se vuelve altamente conductora y propulsa protones rápidamente a través del hielo, de forma similar al flujo de electrones en un conductor.
Comprender el comportamiento del agua a nanoescala es crucial para muchas tecnologías emergentes. El éxito de los tratamientos médicos puede depender de cómo reaccione el agua atrapada en las pequeñas cavidades de nuestro cuerpo. El desarrollo de electrolitos altamente conductivos para baterías, la desalinización del agua y el transporte fluido de líquidos dependen del comportamiento del agua confinada.
«Para todas estas áreas, la comprensión del comportamiento del agua es la cuestión fundamental», dijo el Dr. Venkat Kapil del Departamento de Química de Yusuf Hamied en Cambridge, el primer autor del artículo. «Nuestro enfoque permite el estudio de una sola capa de agua en un canal similar a un gráfico con una precisión de predicción sin precedentes».
Los investigadores encontraron que la capa de agua de una molécula de espesor dentro del nanocanal mostró un comportamiento de fase rico y diverso. Su enfoque predice múltiples fases, incluida la fase hexática, un intermedio entre un sólido y un líquido, y también una fase superiónica donde el agua tiene una alta conductividad eléctrica.
«La fase hexática no es ni sólida ni líquida, sino intermedia, en consonancia con teorías previas sobre materiales bidimensionales», dijo Kapil. «Nuestro enfoque también sugiere que esta fase se puede observar experimentalmente al confinar el agua en un canal de grafeno.
“La existencia de la fase superiónica en condiciones de fácil acceso es peculiar, ya que esta fase generalmente se encuentra en condiciones extremas como los núcleos de Urano y Neptuno. Una forma de visualizar esta fase es que los átomos de oxígeno forman una red fija y los protones fluyen a través de la red como un líquido, como niños corriendo por un laberinto”.
Los investigadores dicen que esta fase superiónica podría ser importante para futuros electrolitos y materiales de batería porque tiene una conductividad eléctrica de 100 a 1000 veces mayor que los materiales de batería actuales.
Los resultados no solo ayudarán a comprender cómo funciona el agua a nanoescala, sino que también sugerirán que la «nanoencapsulación» podría ser una nueva forma de encontrar el comportamiento superiónico de otros materiales.
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