p A civilização moderna depende da incompressibilidade da água - é algo que consideramos natural. Os sistemas hidráulicos aproveitam a não compressibilidade virtual de fluidos como água ou óleo para multiplicar a força mecânica. Bulldozers, guindastes, e outras máquinas pesadas exploram a física da hidráulica, assim como freios de automóveis, sistemas de extinção de incêndios, e sistemas municipais de água e esgoto. É necessária uma pressão extraordinária para comprimir a água. Mesmo no fundo dos oceanos mais profundos, duas milhas e meia abaixo da superfície, onde a pressão é igual a cerca de 1000 atmosferas, a água é comprimida em apenas 5 por cento. p Mas agora os cientistas da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign previram uma nova física governando a compressão da água sob um campo elétrico de alto gradiente.

p O professor de física Aleksei Aksimentiev e seu pesquisador de pós-doutorado James Wilson descobriram que um alto campo elétrico aplicado a um minúsculo orifício em uma membrana de grafeno comprimiria as moléculas de água que viajam através do poro em 3 por cento. A compressão de água prevista pode eventualmente ser útil na filtragem de alta precisão de biomoléculas para pesquisas biomédicas.

p Essas descobertas foram publicadas em 26 de junho, 2018, no Cartas de revisão física (120, 268101) como sugestão do editor. Observações de Aksimentiev, "Este é um fenômeno inesperado, ao contrário do que pensávamos saber sobre o transporte de nanoporos. Demorou três anos para descobrir o que as simulações estavam nos mostrando. Depois de explorar muitas soluções potenciais, a descoberta veio quando percebemos que não devemos presumir que a água é incompressível. Agora que entendemos o que está acontecendo nas simulações de computador, somos capazes de reproduzir esse fenômeno em cálculos teóricos. "

p Os cientistas realizaram este estudo para testar novos métodos de sequenciamento de DNA de nanoporos de grafeno. Nos últimos anos, nanoporos de grafeno têm se mostrado uma promessa tremenda para o sequenciamento de DNA de baixo custo. A maneira como funciona, O DNA é suspenso na água e, em seguida, o DNA, água e íons são puxados por um campo elétrico através de um minúsculo orifício em uma membrana de grafeno. O campo elétrico aplicado através da folha de grafeno atrai os íons dissolvidos e quaisquer partículas carregadas - o DNA é uma partícula carregada negativamente. As quatro nucleobases do DNA são lidas como as diferenças no fluxo de íons que cada nucleobase de formato distinto produz.

p O tamanho do furo e a espessura da folha são essenciais para este método. A folha de grafeno tem apenas um átomo de espessura, o diâmetro do nanoporo mede apenas cerca de 3 nanômetros ou a largura de 10 átomos, e as moléculas de DNA medem cerca de 2 nanômetros de largura.

p Neste estudo, Aksimentiev e Wilson decidiram desenvolver um modelo computacional que lhes permitiria controlar a velocidade de transporte do DNA através de um nanoporo de grafeno. Eles sabiam que aumentar o campo elétrico aplicado deveria aumentar a velocidade de transporte pelo mesmo múltiplo, mas quando eles aumentaram o campo dez vezes, o DNA foi completamente impedido de passar pelo buraco.

p Wilson descreve o que viu na simulação:"Estávamos tentando ver se mudávamos a carga na folha de grafeno, se isso mudaria a taxa de captura do DNA conforme previsto. Nossas simulações mostraram que o DNA atravessa o nanoporo como esperado em campos elétricos mais baixos, mas quando você aplica 1 volt, o DNA parece estar dançando acima do nanopore, como se quisesse passar, mas por alguma razão não pode.

p "Acontece que o gradiente do campo elétrico é o que comprime a água, porque a água é um dielétrico. Um campo elétrico muito alto não fará isso, apenas um campo que muda com o espaço. As cargas na molécula de água se alinham com o campo elétrico, e as cargas que estão mais próximas de onde o campo elétrico é mais alto são puxadas com mais força do que as cargas mais próximas de onde o campo elétrico é mais fraco. "

p Aksimentiev acrescenta, "Tudo isso só funciona porque a membrana é muito fina, e o campo elétrico é focado onde a membrana está, comprimindo a molécula de água de ambos os lados. A compressão é de apenas 3 por cento, mas isso pressuriza a água - é equivalente a 100 atmosferas - e a pressão basicamente empurra o DNA de volta para que ele não possa viajar através do nanopore. "Wilson continua, "Once we worked out what was actually happening is compression of the water, we spoke with experimentalists working with graphene nanopores. We've learned that this phenomenon may already have been observed in the laboratory. Apparently people have seen it, but they couldn't explain it. The experiments will need to be repeated to validate our theory."

p Aksimentiev concludes, "We had originally set out to use this work for DNA sequencing. But now we think we can use it for identifying and separating biomolecules that are very similar but have some small difference. For example, you could have many of the same protein, but some might carry one very small mark—one posttranslational modification—that alters its charge. That difference of just one electron would determine whether the molecule passes through the nanopore or not, because that's a function of charge. So we could potentially use this new phenomenon of water compression to very precisely filter biomolecules."