A água tem sido estudada mais do que qualquer outra substância, mas os cientistas debatem há muito tempo uma questão surpreendentemente simples: o que acontece à sua química quando é espremida em espaços com apenas algumas moléculas de largura?
Esses pequenos espaços existem em toda a natureza e tecnologia, incluindo poros, membranas e canais biológicos em nanoescala. Um novo estudo conclui agora que a resposta tem mais nuances do que os investigadores pensavam, ajudando a resolver anos de resultados contraditórios.
Por que a bacia hidrográfica é importante
Uma das propriedades químicas que definem a água é a sua capacidade de se dividir em duas partículas carregadas: H3E+ (íon hidrônio) e OH– (íon hidróxido). Este processo determina o pH, que mede o quão ácida ou alcalina (básica) é uma solução, e desempenha um papel central na química ácido-base. Afeta tudo, desde as enzimas que mantêm as células funcionando até as reações que acontecem dentro da bateria.
Os cientistas queriam determinar como confinar a água a um espaço com apenas um bilionésimo de metro de tamanho altera a facilidade com que essa separação ocorre.
Suas descobertas, publicadas A ciência avançasugere que a aparente reatividade química da água nanoconfinada depende fortemente de fatores como concentração, tamanho dos poros, flexibilidade da parede e química da superfície.
“Quando comparamos sistemas sob condições termodinâmicas equivalentes – especificamente o mesmo potencial químico (a quantidade que determina se uma reação prossegue ou não), o efeito de confinamento desaparece em grande parte. Por outras palavras, o confinamento por si só não altera intrinsecamente a reatividade da água. Isto explica porque é que as experiências ao longo da última década produziram resultados de investigação contraditórios, “diz o autor Edwin.
“Os conflitos na literatura ocorreram em grande parte porque os cientistas estavam comparando sistemas em diferentes pressões ou concentrações efetivas sem perceber.”
O aprendizado de máquina revela as peças que faltam
Para explorar o problema, os pesquisadores confiaram em simulações de aprendizado de máquina que reproduzem a precisão da mecânica quântica, ao mesmo tempo que lhes permitem estudar uma gama muito mais ampla de estados do que os métodos computacionais tradicionais.
A equipe testou água presa entre folhas de grafeno e nitreto de boro hexagonal (HBN). Embora ambos os materiais tenham apenas um átomo de espessura e compartilhem estruturas semelhantes, a química de sua superfície é muito diferente.
As simulações também revelaram que as gotículas de água confinadas nestes materiais sofrem pressões internas extremamente elevadas. A água presa entre folhas de grafeno ou HBN pode atingir pressões de alguns gigapascais semelhantes às encontradas nas profundezas da Terra, mesmo quando nenhuma força externa é aplicada.
Em vez disso, o estresse se desenvolve naturalmente devido à atração de van der Waals entre camadas atomicamente finas. Embora a força entre os átomos individuais seja fraca, ela se torna significativamente mais forte na grande área superficial do material bidimensional, unindo as folhas e comprimindo a água presa entre elas.
A pressão, e não o confinamento, impulsiona a reação da água
Os pesquisadores descobriram que essas pressões intensas aumentam muito a divisão das moléculas de água.
No entanto, quando compararam água confinada com água normal exposta à mesma pressão, ambas se comportaram essencialmente da mesma forma. Isso mostrou que o aumento da capacidade de resposta vem do estresse e não apenas do confinamento.
“O que mais nos surpreendeu foi o quanto o aparente efeito de confinamento poderia ser explicado pela termodinâmica”, disse Angelos Michaelides, professor de química Yusuf Hamid na Universidade de Cambridge. “Uma vez que a pressão e o potencial químico são calculados corretamente, grande parte da complexidade se torna simples.”
A química da superfície ainda desempenha um papel importante
Embora simplesmente espremer água em uma pequena área não a torne inerentemente mais reativa, os elementos circundantes ainda podem afetar sua química.
HBN, íon hidróxido (OH– ) que se formam em torno de bordas que estão quimicamente ligadas ao material circundante. Isto estabiliza os íons, reduzindo a energia necessária para dividir a água e aumentando a quantidade de dissociação.
O mesmo efeito não foi observado com o grafeno porque sua superfície quimicamente inerte não participa da reação.
Os resultados mostram que o material circundante da água ligada pode moldar ativamente o seu comportamento químico.
“Esta pesquisa fornece uma nova estrutura para a compreensão da química da água em nanoescala e ajuda a reconciliar uma década de estudos aparentemente conflitantes”, disse o Dr. Christoph Schran, do Grupo de Teoria da Matéria Condensada do Laboratório Cavendish.
“Mais importante ainda, o trabalho fornece um princípio de design prático para a engenharia de ambientes químicos em nanoescala. Em vez de focar apenas no tamanho dos poros ou canais, podemos criar reatividade à água escolhendo um material confinante cujas superfícies interagem com os produtos da dissociação da água e controlam a pressão gerada dentro dos espaços confinados. “
Aplicações potenciais em tecnologia energética
As descobertas podem ter implicações importantes para tecnologias que dependem de águas confinadas, incluindo células de combustível de hidrogênio, baterias, membranas seletivas de íons e sistemas catalíticos.
Em seguida, os pesquisadores planejam estudar ambientes mais realistas que incluam defeitos e arestas comumente encontrados em materiais práticos. Eles esperam comparar suas previsões com medições de laboratório usando técnicas espectroscópicas e nanofluídicas avançadas.
Ao mesmo tempo, a equipe está examinando grandes famílias de materiais bidimensionais e químicas de superfície para identificar compostos que possam aumentar ou suprimir a reatividade da água para aplicações tecnológicas específicas.
