Em um estudo recente publicado na revista The Journal of Physical Chemistry, pesquisadores se depararam com comportamentos estranhos das moléculas de água, quando estimuladas a passar por nanoporos, tubos ultrafinos menores do que dez nanômetros. "Uma nova física emerge: novas fases do gelo foram observadas e o transporte ultrarrápido de prótons foi medido", diz a pesquisa.
Eles estudavam os dielétricos da água, ou seja, a capacidade do líquido em armazenar e influenciar um campo elétrico quando submetida a ele. Pesquisas sobre as propriedades dielétricas da água em espaços nanométricos são fundamentais para entender como os íons se movem sob essa pressão, tanto em sistemas biológicos quanto em materiais sintéticos.
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Na prática, diz o cientista brasileiro Marcos Calegari Andrade, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore nos EUA e primeiro autor do artigo: "Uma melhor compreensão da resposta dielétrica da água confinada é importante não apenas para o avanço das tecnologias de separação, mas também para outras aplicações emergentes, como armazenamento e conversão de energia", explica à ScienceAlert.
O comportamento da água
A distribuição desigual de carga entre o oxigênio e os dois hidrogênios da água lhe dá propriedades únicas. Fonte: Marcos Calegari Andrade et al.
Por trás da aparente simplicidade água, um sério conflito ocorre quando uma única molécula é analisada: por ser mais eletronegativo do que o hidrogênio, o oxigênio atrai mais fortemente os elétrons e fica com uma carga mais negativa do que os dois hidrogênios. Essa distribuição desigual da carga é conhecida como dipolo.
Esse desequilíbrio dá algumas propriedades únicas à água, como ligações fracas de hidrogênio, tensão superficial (as tensões de hidrogênio criam uma "película" na superfície da água), e a propriedade do precioso líquido de se unir a si mesma (coesão) e também a outras substâncias (adesão).
No entanto, entender por que as moléculas de água aumentam as interações com um campo elétrico quando confinadas em um nanotubo de carbono hidrofóbico continua sendo ainda um mistério.
Um comportamento diferente da água
O nanotubo microscópico é tão fino que nele só cabe uma fila de moléculas de água.Fonte: Getty Images
Para solucionar esse problema, a equipe recorreu a simulações computacionais com aprendizado de máquina para analisar e prever de que forma as propriedades dielétricas da água mudam em nanoescala. Isso foi feito com base em dados de simulações de cálculos a princípio, ou seja, baseados 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 faz com que a água se torne mais eficiente para bloquear eletricidade.
"Nosso trabalho revela impactos peculiares do nanoconfinamento hidrofóbico 1-D [unidimensional], não apenas na constante dielétrica, mas também na estrutura eletrônica da água, que não podem ser observados com simulações baseadas em campos de força paramétricos convencionais", conclui Calegari Andrade em um comunicado.
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