Los científicos a menudo encuentran cosas extrañas e inesperadas cuando miran materiales a nanoescala, el nivel de átomos y moléculas individuales. Esto es válido incluso para los materiales más comunes, como el agua.

Caso en cuestión:en los últimos años, Los investigadores han observado que el agua fluye espontáneamente hacia tubos extremadamente pequeños de grafito o grafeno, llamados nanotubos de carbono. Esta observación inesperada es intrigante porque los nanotubos de carbono son prometedores en los campos emergentes de la nanofluídica y la nanofiltración. donde los nanotubos podrían ayudar a mantener pequeños flujos o separar las impurezas del agua. Sin embargo, nadie ha logrado explicar por qué, a nivel molecular, un líquido estable querría limitarse a un área tan pequeña.

Ahora, utilizando un método novedoso para calcular la dinámica de las moléculas de agua, Los investigadores de Caltech creen que han resuelto el misterio. Resulta que la entropía una medida del desorden, ha sido la clave que faltaba.

"Es un resultado bastante sorprendente, "dice William Goddard, el profesor de química Charles y Mary Ferkel, Ciencia de los Materiales, y Física Aplicada en Caltech y director del Centro de Simulación de Materiales y Procesos. "La gente normalmente se centra en la energía en este problema, no entropía ".

Eso es porque el agua forma una extensa red de enlaces de hidrógeno, lo que lo hace muy estable. Romper esas fuertes interacciones requiere energía. Y dado que algunos enlaces deben romperse para que el agua fluya en pequeños nanotubos, parece poco probable que el agua lo haga libremente.

"Lo que descubrimos es que en realidad es una compensación, "Dice Goddard." Pierdes algo de esa buena estabilización de energía de la unión, pero en el proceso se gana en entropía ".

La entropía es una de las fuerzas impulsoras que determinan si un proceso ocurrirá de manera espontánea. Representa la cantidad de formas en que un sistema puede existir en un estado particular. Cuantos más arreglos estén disponibles para un sistema, cuanto mayor es su desorden, y cuanto mayor sea la entropía. Y en general, la naturaleza avanza hacia el desorden.

Cuando el agua está idealmente unida, todos los enlaces de hidrógeno bloquean las moléculas en su lugar, restringiendo su libertad y manteniendo baja la entropía del agua. Lo que Goddard y el erudito postdoctoral Tod Pascal encontraron es que en el caso de algunos nanotubos, el agua gana suficiente entropía al entrar en los tubos para compensar las pérdidas de energía incurridas al romper algunos de sus enlaces de hidrógeno. Por lo tanto, el agua fluye espontáneamente hacia los tubos.

Goddard y Pascal explican sus hallazgos en un artículo publicado recientemente en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) . Observaron nanotubos de carbono con diámetros entre 0,8 y 2,7 ​​nanómetros y encontraron tres razones diferentes por las que el agua fluiría libremente hacia los tubos. dependiendo del diámetro.

Para los nanotubos más pequeños, los de entre 0,8 y 1,0 nanómetros de diámetro, los tubos son tan minúsculos que las moléculas de agua se alinean casi en una fila dentro de ellos y adquieren un estado similar al de un gas. Eso significa que la estructura normal adherida del agua líquida se rompe, dando a las moléculas una mayor libertad de movimiento. Este aumento de entropía atrae agua hacia los tubos.

En el siguiente nivel donde los nanotubos tienen diámetros entre 1,1 y 1,2 nanómetros, Las moléculas de agua confinadas se organizan en apiladas, cristales de hielo. Goddard y Pascal encontraron que esos nanotubos tenían el tamaño perfecto, una especie de combinación de Ricitos de Oro, para acomodar el agua cristalizada. Estas interacciones de unión de cristales, no entropía, hacer que sea favorable para que el agua fluya hacia los tubos.

En la escala más grande estudiada, que involucra tubos cuyos diámetros aún son de solo 1,4 a 2,7 nanómetros de ancho, los investigadores encontraron que las moléculas de agua confinadas se comportan más como agua líquida. Sin embargo, una vez más, algunos de los enlaces de hidrógeno normales están rotos, por lo que las moléculas exhiben más libertad de movimiento dentro de los tubos. Y las ganancias en entropía compensan con creces la pérdida de energía de enlace de hidrógeno.

Debido a que el interior de los nanotubos de carbono es demasiado pequeño para que los investigadores lo examinen experimentalmente, Goddard y Pascal estudiaron la dinámica de las moléculas de agua confinadas en simulaciones. Usando un nuevo método desarrollado por el grupo de Goddard con una supercomputadora, pudieron calcular la entropía de las moléculas de agua individuales. En el pasado, Tales cálculos han sido difíciles y han llevado mucho tiempo. Pero el nuevo enfoque apodado el modelo termodinámico de dos fases, ha hecho que la determinación de los valores de entropía sea relativamente fácil para cualquier sistema.

"Los métodos antiguos necesitaban ocho años de procesamiento informático para llegar a las mismas entropías que ahora estamos obteniendo en 36 horas, "Dice Goddard.

El equipo también realizó simulaciones utilizando una descripción alternativa del agua, una en la que el agua tenía sus propiedades energéticas habituales, densidad, y viscosidad, pero carecía de su característico enlace de hidrógeno. En ese caso, el agua no quería fluir hacia los nanotubos, proporcionando una prueba adicional de que la baja entropía natural del agua debido a los extensos enlaces de hidrógeno conduce a que llene espontáneamente los nanotubos de carbono cuando aumenta la entropía.

Goddard cree que los nanotubos de carbono podrían usarse para diseñar supermoléculas para la purificación del agua. Al incorporar poros con los mismos diámetros que los nanotubos de carbono, él piensa que se podría fabricar un polímero para succionar el agua de la solución. Esta aplicación potencial apunta a la necesidad de una mayor comprensión del transporte de agua a través de nanotubos de carbono.