Es un hecho bien conocido que el agua, al nivel del mar, comienza a hervir a una temperatura de 212 grados Fahrenheit, o 100 grados Celsius. Y los científicos han observado durante mucho tiempo que cuando el agua está confinada en espacios muy pequeños, sus puntos de ebullición y congelación pueden cambiar un poco, generalmente cayendo alrededor de 10 C más o menos.

Pero ahora, Un equipo del MIT ha encontrado un conjunto de cambios completamente inesperados:dentro de los espacios más pequeños, en nanotubos de carbono cuyas dimensiones internas no son mucho más grandes que unas pocas moléculas de agua, el agua puede congelarse incluso a altas temperaturas que normalmente la harían hervir.

El descubrimiento ilustra cómo incluso materiales muy familiares pueden cambiar drásticamente su comportamiento cuando quedan atrapados dentro de estructuras medidas en nanómetros. o mil millonésimas de metro. Y el hallazgo podría conducir a nuevas aplicaciones, como, esencialmente, Cables llenos de hielo:que aprovechan las propiedades eléctricas y térmicas únicas del hielo mientras permanecen estables a temperatura ambiente.

Los resultados se informan hoy en la revista. Nanotecnología de la naturaleza , en un artículo de Michael Strano, el profesor Carbon P. Dubbs de Ingeniería Química en el MIT; postdoctorado Kumar Agrawal; y otros tres.

"Si confina un fluido a una nanocavidad, de hecho, puede distorsionar su comportamiento de fase, "Strano dice, refiriéndose a cómo y cuándo la sustancia cambia entre sólido, líquido, y fases gaseosas. Se esperaban tales efectos, pero la enorme magnitud del cambio, y su dirección (subir en lugar de bajar el punto de congelación), fueron una completa sorpresa:en una de las pruebas del equipo, el agua solidificó a una temperatura de 105 C o más. (La temperatura exacta es difícil de determinar, pero 105 C se consideró el valor mínimo en esta prueba; la temperatura real podría haber sido tan alta como 151 C.)

"El efecto es mucho mayor de lo que nadie había anticipado, "Dice Strano.

Resulta que la forma en que cambia el comportamiento del agua dentro de los diminutos nanotubos de carbono, estructura la forma de una pajita de refresco, hecho enteramente de átomos de carbono pero de sólo unos pocos nanómetros de diámetro, depende fundamentalmente del diámetro exacto de los tubos. "Estas son realmente las tuberías más pequeñas que puedas imaginar, "Dice Strano. En los experimentos, los nanotubos se dejaron abiertos en ambos extremos, con depósitos de agua en cada abertura.

Incluso la diferencia entre nanotubos de 1,05 nanómetros y 1,06 nanómetros de diámetro marcó una diferencia de decenas de grados en el punto de congelación aparente. los investigadores encontraron. Tales diferencias extremas fueron completamente inesperadas. "Todas las apuestas se cancelan cuando te vuelves muy pequeño, "Es un espacio realmente inexplorado", dice Strano.

En esfuerzos anteriores para comprender cómo se comportarían el agua y otros fluidos cuando estaban confinados en espacios tan pequeños, "Hubo algunas simulaciones que mostraron resultados realmente contradictorios, ", dice. Parte de la razón es que muchos equipos no pudieron medir los tamaños exactos de sus nanotubos de carbono con tanta precisión, sin darse cuenta de que diferencias tan pequeñas podrían producir resultados tan diferentes.

De hecho, es sorprendente que el agua incluso entre en estos pequeños tubos en primer lugar, Strano dice:Se cree que los nanotubos de carbono son hidrófobos, o repelente al agua, por lo que las moléculas de agua deberían tener dificultades para entrar. El hecho de que logren ingresar sigue siendo un misterio, él dice.

Strano y su equipo utilizaron sistemas de imágenes de alta sensibilidad, utilizando una técnica llamada espectroscopía vibracional, que podría rastrear el movimiento del agua dentro de los nanotubos, por lo que su comportamiento está sujeto a una medición detallada por primera vez.

El equipo puede detectar no solo la presencia de agua en el tubo, pero también su fase, él dice:"Podemos saber si es vapor o líquido, y podemos saber si está en una fase rígida ". Si bien el agua definitivamente entra en una fase sólida, el equipo evita llamarlo "hielo" porque ese término implica cierto tipo de estructura cristalina, que aún no han podido demostrar de manera concluyente existe en estos espacios reducidos. "No es necesariamente hielo, pero es una fase parecida al hielo, "Dice Strano.

Debido a que esta agua sólida no se derrite hasta muy por encima del punto de ebullición normal del agua, debe permanecer perfectamente estable indefinidamente en condiciones de temperatura ambiente. Eso lo convierte en un material potencialmente útil para una variedad de posibles aplicaciones, él dice. Por ejemplo, Debería ser posible fabricar "cables de hielo" que se encontraran entre los mejores portadores conocidos de protones, porque el agua conduce protones al menos 10 veces más fácilmente que los materiales conductores típicos. "Esto nos da cables de agua muy estables, a temperatura ambiente, " él dice.