Existe todo um universo aquoso escondido dentro dos minúsculos poros de muitos materiais naturais e de engenharia. Pesquisas da Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington em St. Louis mostraram que, quando esses materiais são submersos em líquido, a química dentro dos poros minúsculos - conhecidos como nanoporos - pode diferir criticamente da solução em massa.
De fato, em soluções de salinidade mais alta, o pH dentro dos nanoporos pode ser até 100 vezes mais ácido do que na solução em massa.

Os resultados da pesquisa foram publicados em 22 de agosto na revista Chem .

Uma melhor compreensão dos nanoporos pode ter consequências importantes para uma variedade de processos de engenharia. Pense, por exemplo, na geração de água limpa usando processos de membrana; tecnologias de descarbonização para sistemas de energia, incluindo captura e sequestro de carbono; produção e armazenamento de hidrogênio; e baterias.

Young-Shin Jun, professor de energia, engenharia ambiental e química, e Srikanth Singamaneni, professor Lilyan &E. Lisle Hughes no Departamento de Engenharia Mecânica e Ciência de Materiais, queriam entender como o pH - a medida de quão ácido ou básico um líquido é - em nanoporos difere da solução líquida em massa em que estão submersos.

"O pH é uma 'variável mestre' para a química da água", disse Jun. “Quando é medido na prática, as pessoas estão realmente medindo o pH da solução em massa, não o pH dentro dos nanoporos do material”.

"E se eles forem diferentes, isso é um grande problema, porque as informações sobre o pequeno espaço vão mudar toda a previsão no sistema."

Jun e seu ex-Ph.D. estudante Yaguang Zhu trabalhou com Singamaneni e seu ex-Ph.D. estudante Hamed Gholami Derami. Singamaneni desenvolveu sensores de nanopartículas plasmônicas que relatavam como o pH mudava à medida que se movia através de um sistema biológico. Os sensores consistem em uma nanopartícula de ouro emparelhada com uma molécula sensível ao pH – exatamente o tipo de sensor que Jun poderia usar.

Quando a luz incide sobre as moléculas da sonda de pH, o pH de seu ambiente imediato é relatado por pequenas mudanças em seu espalhamento Raman. No entanto, a dispersão Raman normal oferece um sinal extremamente fraco, dificultando a detecção. Esse efeito é ampliado pela nanopartícula de ouro, que funciona como uma espécie de antena, amplificando o efeito de espalhamento Raman.

Para medir o pH em nanoporos, Singamaneni encaixou um nanosensor em uma concha de sílica com poros de apenas três nanômetros de diâmetro e o colocou em soluções líquidas com diferentes químicas. A equipe verificou que os sensores forneceram apenas informações químicas de dentro dos nanoporos de sílica, incluindo o pH, e não foram contaminados pela solução em massa.

E como as nanopartículas de ouro amplificam o espalhamento Raman de moléculas apenas em sua vizinhança imediata, elas também podem fornecer informações sobre moléculas e íons dentro dos poros.

"Não importa como o pH fora do nanoporo está mudando", disse Singamaneni, "porque a molécula da sonda não está sentindo isso. Ela está apenas sentindo o que está acontecendo no ambiente local".

No laboratório, as equipes de pesquisa descobriram que os ânions (íons carregados negativamente) são transportados preferencialmente para os nanoporos, induzindo um pH mais baixo dentro dos nanoporos do que na solução em massa.

Quanto maior a salinidade da solução, maior a diferença (até 100 vezes mais ácida!). No mundo real, isso pode ser relevante para salmouras de usinas de dessalinização, recuperação de petróleo e gás ou sequestro geológico de carbono. Muitos materiais de engenharia também aproveitam espaços nanoporosos exclusivos para obter maior reatividade nos processos.

Essa descoberta pode ajudar a explicar mistérios de longa data em processos de engenharia, onde os resultados tendem a discordar dos resultados previstos.

"Isso nos dá poder preditivo", disse Jun. "Anteriormente, estávamos utilizando apenas informações dos sistemas em massa. Pensávamos que as químicas envolvidas na solução em massa e na solução em nanoporos eram as mesmas, mas descobrimos que os nanoporos criam um universo aquoso único que pode hospedar reações importantes que não podem acontecer em solução a granel." + Explorar mais

O termômetro minúsculo monitora diretamente as mudanças de temperatura quando os íons passam por um nanoporo