Agua a nanoescala
Las superficies dominan, no la habitación
Investigadores del Instituto Max Planck de investigación de polímeros han cuestionado radicalmente las hipótesis previas sobre el comportamiento del agua en espacios atómicamente pequeños. Utilizando métodos espectroscópicos y simulaciones, analizaron el agua confinada a unas pocas capas moleculares. El equipo dirigido por Mischa Bonn descubrió que la estructura del agua sigue siendo notablemente "normal" hasta que se limita a menos de un nanómetro, es decir, mucho más delgada de lo que se suponía hasta ahora.
Visualización de agua atrapada: La figura muestra una capa de moléculas de agua (centro) atrapadas entre la red atómica de fluoruro de calcio (CaF₂, arriba) y una capa de grafeno (abajo).
El reto: analizar sólo unas pocas capas de agua
Captar la estructura de una capa de agua de unas pocas moléculas de grosor es un enorme reto científico. El equipo desarrolló un dispositivo capilar a nanoescala atrapando agua entre una sola capa de grafeno y un sustrato de fluoruro de calcio (CaF₂). Para revelar la estructura microscópica del agua atrapada, utilizaron espectroscopia vibracional específica de superficie de última generación -incluida la orientación y los enlaces de hidrógeno de las moléculas- para "visualizar" las escurridizas pocas capas de agua.
Los científicos descubrieron que, incluso cuando se limitaba a tres capas de moléculas -un espacio apenas más ancho que las propias moléculas-, el agua del centro seguía presentando propiedades similares a las del agua común en contacto con dos superficies. Las interacciones en las interfaces, determinadas por la capa de grafeno y el sustrato de CaF₂, influyeron significativamente en la disposición y el comportamiento de las moléculas. Solo en dimensiones de Angstrom verdadero, es decir, con un grosor inferior a dos capas moleculares, el propio límite espacial empezó a reorganizar estructuralmente el agua. Las simulaciones basadas en el aprendizaje automático confirmaron los supuestos de las mediciones espectroscópicas, reprodujeron las observaciones y confirmaron las conclusiones.
"Esta investigación cambia nuestra visión del agua confinada", explica el primer autor, Yongkang Wang. "Nuestros resultados son relevantes para muchas aplicaciones prácticas -como el agua en nanocanales, membranas o entre capas de materiales- en las que las superficies determinan las propiedades del agua, no el confinamiento espacial en sí, salvo en el caso de capas extremadamente finas a escala molecular."
Importancia para la tecnología, la biología y la investigación de materiales
Estos hallazgos tienen importantes implicaciones para numerosos ámbitos, desde la nanofluídica y la geología hasta la biología y la investigación de materiales. Los resultados dejan claro que el agua nanoconfinada -ya sea en la Tierra o en dispositivos técnicos como membranas, circuitos nanofluídicos o poros biológicos- está muy influida por los efectos superficiales, incluso cuando está fuertemente confinada. Sólo en el caso de las capas de agua de menos de un nanómetro de espesor cambian radicalmente las reglas físicas.
Un nuevo punto de referencia para la investigación del agua
"Nuestros resultados marcan un nuevo hito", afirma Yuki Nagata, último autor del estudio. "Cualquiera que trabaje con la llamada 'agua nanoconfinada' debería ser consciente de ello: Es la química de la superficie -no sólo la geometría- lo que determina sus propiedades, a menos que el confinamiento alcance el límite exterior".
La capacidad de estudiar y comprender específicamente unas pocas capas de moléculas de agua -esa región de mayor incertidumbre científica y tecnológica- representa un avance significativo en la investigación del agua. Los resultados de la investigación no sólo aclaran cuestiones teóricas, sino que también allanan el camino para el desarrollo de futuros nanodispositivos, materiales y posiblemente incluso métodos para controlar con precisión las propiedades del agua.
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Publicación original
Wang, Y.; Tang, F.; Yu, X.; Chiang, K.; Yu, C.; Ohto, T.; Chen, Y.; Nagata, Y.; Bonn, M.; "Interfaces govern the structure of angstrom-scale confined water solutions"; Nature Communications
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