Num estudo recente publicado no The Journal of Physical Chemistry, os investigadores depararam-se com um comportamento estranho das moléculas de água quando encorajadas a passar através de nanoporos, tubos ultrafinos com menos de dez nanómetros. “Uma nova física emerge: novas fases de gelo foram observadas e o transporte ultrarrápido de prótons foi medido”, diz a pesquisa.
Eles estudaram os dielétricos da água, ou seja, a capacidade do líquido de armazenar e influenciar um campo elétrico quando sujeito a ele. A pesquisa das propriedades dielétricas da água em espaços nanométricos é fundamental para entender como os íons se movem sob essa pressão, tanto em sistemas biológicos quanto em materiais sintéticos.
Na prática, afirma o cientista brasileiro Marcos Calegari Andrade, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, nos EUA e primeiro autor do artigo: “Uma melhor compreensão da resposta dielétrica de águas confinadas é importante não apenas para o avanço das tecnologias de separação, mas também para outras aplicações emergentes, como armazenamento e conversão de energia“, explica ele ao ScienceAlert.
O comportamento da água
A distribuição desigual de carga entre o oxigênio e os dois hidrogênios na água confere-lhe propriedades únicas. Fonte: Marcos Calegari Andrade et al.
Por trás da aparente simplicidade da água, um sério conflito ocorre quando uma única molécula é analisada: por ser mais eletronegativa que o hidrogênio, o oxigênio atrai elétrons com mais força e tem carga mais negativa que os dois hidrogênios. Essa distribuição desigual de carga é conhecida como dipolo.
Este desequilíbrio dá algumas propriedades únicas à água, como ligações de hidrogênio fracastensão superficial (as tensões do hidrogênio criam uma “película” na superfície da água) e a propriedade do precioso líquido de se ligar a si mesmo (coesão) e também a outras substâncias (adesão).
Contudo, compreender por que as moléculas de água aumentam as interações com um campo elétrico quando confinadas em um nanotubo de carbono hidrofóbico permanece um mistério.
Um comportamento diferente da água
O nanotubo microscópico é tão fino que apenas uma fileira de moléculas de água cabe nele.Fonte: Imagens Getty
Para resolver esse problema, a equipe recorreu a simulações computacionais com aprendizado de máquina para analisar e prever como as propriedades dielétricas da água mudam em nanoescala. Isso foi feito a princípio com base em dados de simulações de cálculo, ou seja, com base em leis fundamentais da física, principalmente da mecânica quântica.
O que os autores descobriram foi que quando um campo elétrico é aplicado ao longo de um tubo mais fino que um fio de cabelo dividido mil vezes, a água “filtra” esse campo, fazendo com que os dipolos se alinhem em fila como um verdadeiro “exército” em formação. Isso torna a água mais eficiente no bloqueio de eletricidade.
“Nosso trabalho revela impactos peculiares do nanoconfinamento hidrofóbico 1-D [unidimensional]não só na constante dielétrica, mas também na estrutura eletrônica da água, que não pode ser observada com simulações baseadas em campos de força paramétricos convencionais”, finaliza Calegari Andrade em comunicado.
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