Hielo cuadrado entre dos hojas de grafeno como se ve en un microscopio electrónico de transmisión. Las manchas oscuras de alto contraste son átomos de oxígeno que indican las posiciones de las moléculas de agua. Los átomos de hidrógeno producen muy poco contraste para ser resueltos incluso por el TEM de última generación. El recuadro superior derecho muestra una imagen ampliada de un área pequeña en el centro del cristal de hielo. Crédito:Universidad de Ulm, Alemania
Los descubrimientos revolucionarios, reportado en la revista Naturaleza , Permiten comprender mejor el comportamiento contrario a la intuición del agua a escala molecular y son importantes para el desarrollo de tecnologías más eficientes, incluida la filtración. desalación y destilación.
El agua es una de las sustancias más conocidas y abundantes de la Tierra. Existe en muchas formas, como líquido, vapor y hasta 15 estructuras cristalinas de hielo, siendo el hielo hexagonal comúnmente encontrado el único responsable de la fascinante variedad de copos de nieve.
Menos perceptible pero igualmente omnipresente es el agua en las interfaces y confinada en poros microscópicos. De hecho, unas pocas capas de agua cubren todas las superficies que nos rodean, incluso en los desiertos más secos, y rellenar cada una de las grietas microscópicas, por ejemplo, los presentes en las rocas.
Todavía, se sabe muy poco sobre la estructura y el comportamiento de este agua microscópica, especialmente cuando está oculto a la vista, en capilares en lo profundo de un material a granel.
Un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Manchester, la Universidad de Ulm en Alemania y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China han creado un capilar a nanoescala transparente para investigar la estructura atómica del agua atrapada en su interior. Utilizaron microscopía electrónica de gran aumento que les permitió ver moléculas de agua individuales, y el nanocapilar se hizo con grafeno que tiene un átomo de espesor y no oculta las imágenes de microscopía electrónica.
Para su sorpresa, los científicos encontraron pequeños cristales cuadrados de hielo a temperatura ambiente, siempre que los capilares de grafeno fueran lo suficientemente estrechos, permitiendo no más de tres capas atómicas de agua. Las moléculas de agua formaron una red cuadrada, sentados a lo largo de filas ordenadas espaciadas uniformemente que corren perpendiculares entre sí. Esta disposición cuadrada plana es completamente inusual para el agua cuyas moléculas siempre forman pequeñas estructuras piramidales dentro de todos los hielos previamente conocidos.
Usando simulaciones por computadora, los investigadores también intentaron descubrir qué tan común es el hielo cuadrado en la naturaleza. Los resultados muestran que, si la capa de agua es lo suficientemente fina, debe formar hielo cuadrado independientemente de la composición química exacta de las paredes de confinamiento de un nanoporo.
Por lo tanto, Es probable que el hielo cuadrado sea muy común a escala molecular y esté presente en la punta de cada grieta o poro microscópico de cualquier material.
Profesora Irina Grigorieva, que dirigió la parte de Manchester de los esfuerzos, comentó:"Los científicos intentaron comprender la estructura del agua confinada dentro de canales estrechos durante décadas, pero hasta ahora solo era posible mediante simulaciones por computadora, y los resultados a menudo no coincidían entre sí ".
Simulaciones por computadora de hielo cuadrado. Instantánea típica obtenida en simulaciones de dinámica molecular de una monocapa de agua dentro del nanocapilar de grafeno. Los círculos rojos y blancos son átomos de oxígeno e hidrógeno, respectivamente; las líneas azules cortas indican enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua. Crédito:Universidad de Ciencia y Tecnología de China
"Grietas microscópicas, poros los canales están en todas partes, y no solo en este planeta. Saber que el agua a nanoescala se comporta de manera tan diferente al agua a granel común es importante para comprender mejor los materiales ".
Sir Andre Geim, quien recibió un premio Nobel de grafeno y ahora coescribió el artículo, dijo:"Este estudio fue estimulado por nuestras observaciones previas del flujo ultrarrápido de agua a través de nanocapilares de grafeno. Incluso especulamos que esto podría deberse al hielo cuadrado bidimensional ... pero ver para creer".
Añadió:"El agua es probablemente la sustancia más estudiada, pero nadie pensó que el hielo pudiera ser cuadrado. Esta historia muestra cuánto conocimiento nuevo queda por descubrir cuando uno baja a la nanoescala".
