Se han descubierto nuevas fases del agua.

Científicos de la Universidad de Cambridge descubrieron que el agua en una sola capa molecular no se comporta como un líquido ni como un sólido, y que a alta presión se vuelve altamente conductiva.

Se sabe mucho sobre cómo se comporta el «agua a granel». se expande cuando se enfría y tiene un alto punto de ebullición. Pero cuando el agua se comprime a nanoescala, sus propiedades cambian drásticamente.

Al desarrollar una nueva forma de predecir este comportamiento inusual con una precisión sin precedentes, los investigadores han descubierto varias fases nuevas del agua a nivel molecular.

El agua atrapada entre membranas o en pequeñas cavidades a nanoescala es común; se puede encontrar en todo, desde las membranas de nuestro cuerpo hasta las formaciones geológicas. Pero esta agua nanoconfinada se comporta de manera muy diferente al agua que bebemos.

Hasta ahora, los desafíos de caracterizar experimentalmente las fases del agua a nanoescala han impedido una comprensión completa de su comportamiento. Pero en un artículo de revista NaturalezaEl equipo dirigido por Cambridge describe cómo usaron el avance enfoques computacionales para predecir con una precisión sin precedentes el diagrama de fase de una capa de agua de una molécula de espesor.

Utilizaron una combinación de enfoques computacionales para permitir un estudio de primer nivel de principios de una sola capa de agua.

Los investigadores encontraron que el agua, que está confinada a una capa de una molécula de espesor, pasa por varias fases, incluida una fase «hexática» y una «súper». En la fase hexática, el agua no actúa ni como sólido ni como líquido, sino como algo intermedio. En la fase superiónica, que ocurre a presiones más altas, el agua se vuelve altamente conductora, empujando protones rápidamente a través del hielo de la misma manera que los electrones fluyen en un conductor.

Comprender el comportamiento del agua a nanoescala es crucial para las nuevas tecnologías. El éxito de los tratamientos médicos puede depender de cómo reaccione el agua atrapada en las pequeñas cavidades de nuestro cuerpo. El desarrollo de electrolitos altamente conductivos para baterías, desalinización de agua y transferencia de fluidos sin contacto depende de la predicción del comportamiento del agua confinada.

«Comprender el comportamiento del agua es una pregunta fundamental para todos estos campos», dijo el Dr. Venkat Kapil del Departamento de Química de Yusuf Hamied en Cambridge, primer autor del artículo. «Nuestro enfoque nos permite estudiar una sola capa de agua en un canal similar al grafeno con una precisión predictiva sin precedentes».

Los investigadores encontraron que una molécula capa gruesa El agua dentro del nanocanal mostró un comportamiento de fase rico y diverso. Su enfoque predice varias fases, incluida una fase hexagonal, intermedia entre sólido y líquido, y una fase geriónica, donde el agua tiene alta conductividad eléctrica.

«La fase hexática no es ni sólida ni líquida, sino intermedia, lo que es consistente con teorías previas sobre materiales bidimensionales», dijo Kapil. «Nuestro enfoque también sugiere que esta fase se puede ver experimentalmente al confinar el agua en un canal de grafeno.

«La existencia de la fase gerión en condiciones fácilmente accesibles es única, ya que esta fase generalmente se encuentra en condiciones extremas, como el núcleo de Urano y Neptuno. Una forma de visualizar esta etapa es que átomos de oxígeno forman una red sólida, y los protones fluyen fluidamente a través de la red, como niños corriendo por un laberinto”.

Los investigadores dicen que esta fase geriónica podría ser importante para futuros electrolitos y materiales de batería porque exhibe una conductividad eléctrica de 100 a 1000 veces mayor que los materiales de batería actuales.

Los resultados no solo ayudarán a entender cómo agua funciona a nanoescala, pero también sugiere que el «nanoconfinamiento» puede ser una nueva forma de encontrar el comportamiento geriónico de otros materiales.