7 Minute
Stare hibridă neobișnuită a apei dezvăluită
Apa este o substanță bine cunoscută în viața cotidiană, dar la scară nanometrică ea dezvăluie faze surprinzătoare și proprietăți neprevăzute. O echipă de cercetători din Japonia raportează că atunci când apa este constrânsă în canale extrem de înguste, aceasta poate afișa simultan caracteristici tipice atât solidei, cât și lichidului. Această configurație hibridă, legată de un fenomen denumit stare de premelting (premiscare), fusese teoretizată anterior, dar observarea sa directă a fost dificilă până în prezent. Descoperirea are implicații importante pentru studiul apei nanoconfinate, al rețelelor de legături de hidrogen și pentru proiectarea materialelor bazate pe apă, cum ar fi hidratii artificiali și rețelele de stocare a gazelor.
Context științific și importanță
La nivel molecular, diferența esențială dintre apa lichidă și gheață se reduce la dinamica legăturilor de hidrogen și la mobilitatea moleculelor. În gheața bulk, moleculele H2O sunt fixate într-o rețea ordonată, cristalină. În apa lichidă, legăturile de hidrogen se formează și se rup în mod continuu, permițând moleculelor să se rotească și să se translateze. Starea de premelting reprezintă o regiune intermediară: moleculele ocupă poziții aproximativ fixe, asemănătoare unei rețele cristaline, dar păstrează o mobilitate de rotație sau reorientare semnificativă, caracteristică lichidelor. Această coexistență a ordinii poziționale cu libertatea dinamică contestă clasificările convenționale ale fazelor și adâncește înțelegerea noastră asupra rețelelor de legături de hidrogen, fenomene esențiale în chimia apei, în biologie și în știința materialelor.
Stânga: Apă suprarăcită (verde) într-un nanopor. Dreapta: Clustere de molecule de apă în starea de premelting, arătând un amestec de molecule în stări asemănătoare apei lichide și ale gheții. (Makoto Tadokoro/Tokyo University of Science, Japan)
Înțelegerea apei nanoconfinate are relevanță largă în știință și inginerie: afectează frecarea gheții, comportamentul apei în canale biologice și pori proteici, interfețele electrochimice și stabilitatea gazelor blocate în materiale asemănătoare gheții. Echipa de cercetare subliniază aplicații potențiale în stocarea gazelor precum hidrogenul sau metanul în rețele de gheață proiectate, dar și în proiectarea unor materiale pe bază de apă, inclusiv hidrati gazoși artificiali și medii catalitice unde dinamica hibridă a apei poate influența reacțiile. Studii aprofundate pot duce la inovații pentru cryoprezervare, separare gazelor și la optimizarea performanței electrochimice în baterii și celule de combustie.
Detalii experimentale: apă grea, nanopori și NMR de deuteriu
Pentru a investiga starea de premelting, cercetătorii au folosit apă grea (D2O), în care atomii de hidrogen sunt înlocuiți de deuteriu. Deuteriuul conține un neutron în plus față de protonul hidrogenului, ceea ce face D2O mai potrivită pentru tehnici sensibile de rezonanță magnetică nucleară (NMR). Grupul a sintetizat cristale sub formă de bastonașe care conțineau nanopori hidrofili cu lățimea de doar 1,6 nanometri. Cercetătorii au înghețat D2O în interiorul acelor canale, apoi au încălzit eșantionul treptat, monitorizând mișcarea moleculară prin spectroscopie statică NMR în stare solidă folosind semnalul deuteriu. Această abordare a permis detectarea directă a modului în care mobilitatea rotațională a moleculelor coexista cu ordinea structurală, într-un regim în care tehnici convenționale ar fi avut dificultăți de separare a compoziției spațiale față de dinamica internă.
Spectrele NMR au relevat o structură ierarhică, cu trei straturi distincte în interiorul canalului restrâns. Straturile diferite prezentau dinamici marcant diferite: unele molecule erau practic ‚înghețate’ pe loc, alipite puternic la suprafața porului sau printr-o rețea de legături de hidrogen aproape completă; altele prezentau reorientări rapide, tipice mișcării lichide; iar un strat intermediar afișa un comportament mixt, combinând ordine pozițională cu mobilitate rotațională semnificativă. Această dispunere stratificată sprijină ideea unei regiuni de premelting în care apa „înghețată” și cea mobilă coexistă la scară moleculară, generând o fază hibridă cu proprietăți fizice și chimice unice.
Descoperiri cheie și implicații
Dovezile directe oferite de NMR clarifică modul în care nanoconfinarea și interacțiunile cu suprafața schimbă legăturile de hidrogen și comportamentul fazelor. În condiții de nanoconfinare extremă, apa poate rămâne structural ordonată în termeni de poziții atomice, păstrând în același timp mobilitate rotațională—o proprietate rar observată în gheața bulk. Aceasta extinde tabloul fazelor apei cunoscut până acum și completează observațiile anterioare conform cărora apa confinată poate prezenta proprietăți electrice modificate, poate rămâne în stare lichidă la temperaturi apropiate de zero absolut sau poate îngheța la temperaturi neașteptat de ridicate, în funcție de chimia și geometria porilor. Aceste efecte sunt relevante pentru înțelegerea fenomenelor de suprafață, a transmiterii ionilor în canale biologice și a stabilității gazelor captive în matricele solide.
Autorul principal, Makoto Tadokoro, explică faptul că starea de premelting „implică topirea H2O care nu este complet legată prin legături de hidrogen înainte ca structura complet înghețată a gheții să înceapă să se topească în procesul de încălzire”, și că aceasta „constituie o fază nouă a apei în care straturi de H2O înghețate și straturi de H2O cu mișcare lentă coexistă.” Citarea subliniază natura graduală și locală a tranziției de fază în condiții de nanoconfinare. Aceste perspective contribuie la cartografierea comportamentului fazic al apei sub confinare nanometrică și sugerează că, prin modificarea diametrului porilor, a chimiei interfeței sau a izotopului folosit (de exemplu D2O vs H2O), se pot controla proprietăți precum difuzivitatea, permeabilitatea și capacitatea de stocare a gazelor.
Perspective viitoare
Munca viitoare va testa dimensiuni de pori diferite, tipuri variate de chimie a suprafeței și variante isotopice pentru a stabili reguli generale privind fazele apei confinată. Combinarea NMR cu metode complementare, cum ar fi dispersia de neutroni, spectroscopii de lumină, rezonanță dielectrică și simulări de dinamică moleculară, ar putea rezolva în detaliu cum anumite motive de legături de hidrogen generează comportament mixt solid-lichid. Experimentele sinergice pot identifica semnături spectrale specifice pentru fiecare strat (de exemplu, pentru straturile fixate, intermediare și mobile), oferind astfel criterii cuantificabile pentru detectarea stării de premelting în materialele reale.
Traducerea practică a acestor rezultate ar putea permite dezvoltarea unor tehnologii pentru stocarea gazelor (hidrogen, metan) în rețele de gheață proiectate, îmbunătățirea metodelor de cryoprezervare prin controlul mobilității lichide la temperaturi scăzute, sau crearea unor medii catalitice în care dinamica hibridă a apei influențează selectivitatea și viteza reacțiilor. În plus, în domeniul nanofluidicii și al senzorilor, exploatarea fazelor nanoconfinate poate duce la dispozitive cu proprietăți termice, mecanice sau electrice adaptabile prin proiectarea porozității și a grupărilor funcționale de la suprafață. Toate acestea indică un potențial larg pentru aplicații industriale și biomedicale, pe baza înțelegerii fundamentale a legăturilor de hidrogen și a comportamentului fazic al apei.
Concluzie
Studiul oferă dovezi experimentale directe că apa confinată în canale sub 2 nanometri poate intra într-un regim de premelting care combină ordinea cristalină cu mișcarea asemănătoare lichidului. Această imagine rafinată a apei nanoconfinate extinde teoria fundamentală a fazelor și deschide căi pentru materiale care exploatează comportamentele unice ale apei la scară nanometrică. În mod practic, înțelegerea și controlul stării premelting pot conduce la materiale funcționale pentru stocare de gaze, sisteme nanofluidice, aplicații cryobiologice și domenii emergente ale științei materialelor, unde proprietățile apei la interfață devin cheia performanței.
Sursa: sciencealert
Lasă un Comentariu