A água tem sido estudada mais do que quase qualquer outra substância, mas os cientistas debatem há muito tempo uma questão surpreendentemente simples: o que acontece à sua composição química quando é espremida num espaço com apenas algumas moléculas de largura?
Esses pequenos espaços existem em toda a natureza e tecnologia, incluindo poros, membranas e canais biológicos em nanoescala. Um novo estudo descobriu que a resposta tem mais nuances do que os investigadores pensavam anteriormente, ajudando a resolver anos de resultados contraditórios.
Por que a divisão da água é importante
Uma das propriedades químicas que definem a água é a sua capacidade de se dividir em duas partículas carregadas: H3Ó+ (íon hidrônio) e OH– (íon hidróxido). Este processo determina o pH, que determina quão ácida ou alcalina (básica) é uma solução, e desempenha um papel central na química ácido-base. Afeta tudo, desde as enzimas que mantêm as células funcionando até as reações que ocorrem dentro das baterias.
Os cientistas queriam determinar se confinar a água a espaços com apenas bilionésimos de metro de tamanho altera a facilidade com que essa divisão ocorre.
Suas descobertas, publicadas em Conquistas da ciênciasugerem que a aparente reatividade química da água nanoconfinada depende fortemente de fatores como densidade, tamanho dos poros, flexibilidade da parede e química da superfície.
“Quando comparamos os sistemas sob condições termodinâmicas equivalentes – em particular, no mesmo potencial químico (uma quantidade que determina se ocorre uma reação), o efeito de confinamento desapareceu em grande parte. Por outras palavras, o confinamento em si não altera a reatividade da água. Isto explica porque é que as experiências ao longo da última década deram resultados contraditórios, “disse Xavier R. Advincula, principal autor do estudo.
“As inconsistências na literatura ocorreram principalmente porque os cientistas estavam comparando sistemas com diferentes pressões ou densidades efetivas sem perceber.”
O aprendizado de máquina detecta uma falha
Para estudar o problema, os pesquisadores confiaram em simulações de aprendizado de máquina que reproduzem a precisão da mecânica quântica, ao mesmo tempo que permitem estudar uma gama muito mais ampla de condições do que os métodos computacionais tradicionais.
A equipe investigou a água presa entre folhas de grafeno e nitreto de boro hexagonal (hBN). Embora ambos os materiais tenham apenas um átomo de espessura e uma estrutura semelhante, a química de sua superfície é muito diferente.
As simulações também mostraram que gotículas de água confinadas entre esses materiais sofrem pressões internas extremamente altas. A água presa entre folhas de grafeno ou hBN pode atingir pressões de vários gigapascais, semelhantes às das profundezas da Terra, mesmo na ausência de forças externas.
Em vez disso, a pressão desenvolve-se naturalmente devido à atração de van der Waals entre as camadas atomicamente finas. Embora a força entre os átomos individuais seja fraca, ela se torna extremamente forte na grande área superficial dos materiais bidimensionais, unindo as folhas e comprimindo a água presa entre elas.
A reatividade da água é determinada pela pressão, não por restrição
Os pesquisadores descobriram que essas fortes pressões aumentam muito a divisão das moléculas de água.
No entanto, quando compararam a água confinada com a água comum submetida à mesma pressão, as duas comportaram-se essencialmente da mesma forma. Isto mostrou que o aumento da reatividade vem principalmente da pressão em si e não do regime fechado.
“O que mais nos surpreendeu foi a clareza com que o efeito de confinamento pode ser explicado pela termodinâmica. Uma vez devidamente contabilizados a pressão e o potencial químico, grande parte da complexidade simplesmente se ajusta”, disse o professor Angelos Michaelides, do Departamento de Química Yusuf Hamid da Universidade de Cambridge.
A química da superfície ainda desempenha um papel importante
Embora simplesmente espremer água em espaços minúsculos não a torne inerentemente mais reativa, o material circundante pode afetar sua química.
Em gotículas de água delimitadas por hBN, íons hidróxido (OH– ), que se formaram nas bordas, quimicamente ligadas ao material circundante. Isto estabilizou os íons, reduziu a energia necessária para dividir a água e aumentou a quantidade de dissociação.
O mesmo efeito não foi observado com o grafeno, pois sua superfície quimicamente inerte não participa da reação.
Os resultados mostram que o material que envolve a água confinada pode moldar ativamente o seu comportamento químico.
“Esta pesquisa fornece uma nova estrutura para a compreensão da química da água em nanoescala e ajuda a reconciliar uma década de pesquisas aparentemente contraditórias”, disse o Dr. Christoph Schran, do Grupo de Teoria da Matéria Condensada do Laboratório Cavendish.
“Mais importante ainda, o trabalho oferece um princípio prático para projetar ambientes químicos em nanoescala. Em vez de focar apenas no tamanho dos poros ou canais, podemos adaptar a reatividade da água escolhendo um material confinante cujas superfícies interajam com os produtos de dissociação da água e controlando as pressões que se acumulam nos espaços confinados.”
Potenciais aplicações em tecnologias energéticas
As descobertas podem ter implicações importantes para tecnologias que dependem de águas confinadas, incluindo células de combustível de hidrogênio, baterias, membranas seletivas de íons e sistemas catalíticos.
Em seguida, os pesquisadores planejam estudar um ambiente mais realista que inclua defeitos e arestas comumente encontrados em materiais práticos. Eles também esperam comparar suas previsões com medições de laboratório usando técnicas espectroscópicas e nanofluídicas avançadas.
Ao mesmo tempo, a equipe está testando grandes famílias de materiais bidimensionais e químicas de superfície para identificar combinações que possam aumentar ou suprimir a reatividade da água para aplicações tecnológicas específicas.
