Cientistas da Universidade de Cambridge descobriram que a água em uma camada de uma molécula não age como um líquido nem como um sólido, e que se torna altamente condutora em altas pressões.
Muito se sabe sobre como a "água a granel" se comporta:ela se expande quando congela e tem um alto ponto de ebulição. Mas quando a água é comprimida em nanoescala, suas propriedades mudam drasticamente.

Ao desenvolver uma nova maneira de prever esse comportamento incomum com precisão sem precedentes, os pesquisadores detectaram várias novas fases da água no nível molecular.

A água presa entre membranas ou em pequenas cavidades em nanoescala é comum – pode ser encontrada em tudo, desde membranas em nossos corpos até formações geológicas. Mas essa água nanoconfinada se comporta de maneira muito diferente da água que bebemos.

Até agora, os desafios de caracterizar experimentalmente as fases da água em nanoescala impediram uma compreensão completa de seu comportamento. Mas em um artigo publicado na revista Nature , a equipe liderada por Cambridge descreve como eles usaram avanços em abordagens computacionais para prever o diagrama de fases de uma camada espessa de uma molécula de água com precisão sem precedentes.

Eles usaram uma combinação de abordagens computacionais para permitir a investigação em nível de primeiros princípios de uma única camada de água.

Os pesquisadores descobriram que a água que está confinada em uma camada espessa de uma molécula passa por várias fases, incluindo uma fase "hexática" e uma fase "superiônica". Na fase hexática, a água não atua como sólido nem como líquido, mas como algo intermediário. Na fase superiônica, que ocorre em pressões mais altas, a água torna-se altamente condutora, impulsionando prótons rapidamente através do gelo de uma forma semelhante ao fluxo de elétrons em um condutor.

Compreender o comportamento da água em nanoescala é fundamental para muitas novas tecnologias. O sucesso dos tratamentos médicos pode depender de como a água retida em pequenas cavidades em nossos corpos reagirá. O desenvolvimento de eletrólitos altamente condutores para baterias, dessalinização de água e o transporte de fluidos sem atrito dependem da previsão de como a água confinada se comportará.

"Para todas essas áreas, entender o comportamento da água é a questão fundamental", disse o Dr. Venkat Kapil, do Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, o primeiro autor do artigo. “Nossa abordagem permite o estudo de uma única camada de água em um canal semelhante ao grafeno com precisão preditiva sem precedentes”.

Os pesquisadores descobriram que a camada espessa de uma molécula de água dentro do nanocanal mostrou um comportamento de fase rico e diversificado. Sua abordagem prevê várias fases que incluem a fase hexática - um intermediário entre um sólido e um líquido - e também uma fase superiônica, na qual a água tem alta condutividade elétrica.

"A fase hexática não é um sólido nem um líquido, mas um intermediário, o que está de acordo com as teorias anteriores sobre materiais bidimensionais", disse Kapil. "Nossa abordagem também sugere que essa fase pode ser vista experimentalmente confinando a água em um canal de grafeno.

"A existência da fase superiônica em condições de fácil acesso é peculiar, pois essa fase geralmente é encontrada em condições extremas como o núcleo de Urano e Netuno. Uma maneira de visualizar essa fase é que os átomos de oxigênio formam uma rede sólida e os prótons fluem como um líquido pela treliça, como crianças correndo por um labirinto."

Os pesquisadores dizem que essa fase superiônica pode ser importante para futuros eletrólitos e materiais de bateria, pois mostra uma condutividade elétrica 100 a 1.000 vezes maior do que os materiais de bateria atuais.

Os resultados não apenas ajudarão a entender como a água funciona em nanoescala, mas também sugerem que o "nanoconfinamento" pode ser uma nova rota para encontrar o comportamento superiônico de outros materiais. + Explorar mais

Prevendo uma nova fase do gelo superiônico