El agua y el hielo pueden no estar entre las primeras cosas que le vienen a la mente cuando piensa en nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT), pero un equipo de investigación con sede en Japón que esperaba obtener una comprensión más clara del comportamiento de fase del agua confinada en los poros cilíndricos de los nanotubos de carbono se centró en las propiedades del agua confinada y realizó algunos descubrimientos sorprendentes.

El equipo, de la Universidad Metropolitana de Tokio, Universidad de Nagoya, Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón, e Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada, describe sus hallazgos en el Instituto Americano de Física ' Revista de física química .

Aunque los nanotubos de carbono consisten en láminas de grafeno hidrofóbicas (repelentes al agua), Los estudios experimentales sobre SWCNT muestran que el agua puede estar confinada en nanotubos de carbono abiertos.

Este descubrimiento nos da una comprensión más profunda de las propiedades del agua nanoconfinada dentro de los poros de los SWCNT, que es clave para el futuro de la nanociencia. Se anticipa que el agua nanoconfinada dentro de los nanotubos de carbono puede abrir la puerta al desarrollo de una variedad de nuevas e ingeniosas nanocosas:sistemas de nanofiltración, nanoválvulas moleculares, bombas de agua molecular, células de energía a nanoescala, e incluso dispositivos ferroeléctricos a nanoescala.

"Cuando los materiales están confinados a escala atómica, exhiben propiedades inusuales que no se observan de otra manera, debido al llamado "efecto de nanoconfinamiento". En geología, por ejemplo, el agua nanoconfinida proporciona la fuerza impulsora para las heladas en el suelo, y también para la hinchazón de minerales arcillosos, "explica Yutaka Maniwa, profesor del Departamento de Física de la Universidad Metropolitana de Tokio. "Estudiamos experimentalmente este tipo de efecto para el agua usando SWCNT".

El agua dentro de SWCNT en el rango de 1,68 a 2,40 nanómetros experimenta un tipo de transición húmedo-seco cuando la temperatura disminuye. Y el equipo descubrió que cuando los SWCNT son extremadamente estrechos, el agua del interior forma hielos tubulares que son bastante diferentes de los hielos a granel conocidos hasta ahora. Sorprendentemente, su punto de fusión aumenta a medida que disminuye el diámetro de SWCNT, al contrario que el agua a granel dentro de un capilar de gran diámetro. De hecho, el hielo de los túbulos se produjo incluso a temperatura ambiente dentro de los SWCNT.

"Ampliamos nuestros estudios a los SWCNT de mayor diámetro hasta 2,40 nanómetros y propusimos con éxito un comportamiento de fase global del agua, ", dice Maniwa." Este diagrama de fase (ver figura) cubre un cruce de regiones microscópicas a macroscópicas. En la región macroscópica, se exploró recientemente una nueva transición húmedo-seco a baja temperatura ".

Resultados como estos contribuyen a una mayor comprensión de la ciencia fundamental porque el agua nanoconfinada existe y desempeña un papel vital en todas partes de la Tierra, incluido nuestro cuerpo. "Comprender el efecto nanoconfinado sobre las propiedades de los materiales también es crucial para desarrollar nuevos dispositivos, como membranas conductoras de protones y nanofiltración, "Notas Maniwa.

A continuación, el equipo planea investigar las propiedades físicas del agua confinada descubiertas hasta ahora dentro de los SWCNT (como la dielectricidad y la conducción de protones). Lo perseguirán para obtener una mejor comprensión de la estructura molecular y las propiedades de transporte en los sistemas biológicos.