Científicos de la Universidad de Cambridge han descubierto que el agua en una capa de una molécula no actúa ni como un líquido ni como un sólido, y que se vuelve altamente conductora a altas presiones.

Se sabe mucho sobre cómo se comporta el "agua a granel":se expande cuando se congela y tiene un alto punto de ebullición. Pero cuando el agua se comprime a nanoescala, sus propiedades cambian drásticamente.

Al desarrollar una nueva forma de predecir este comportamiento inusual con una precisión sin precedentes, los investigadores han detectado varias fases nuevas del agua a nivel molecular.

El agua atrapada entre las membranas o en diminutas cavidades a nanoescala es común:se puede encontrar en todo, desde las membranas de nuestro cuerpo hasta las formaciones geológicas. Pero esta agua nanoconfinada se comporta de manera muy diferente al agua que bebemos.

Hasta ahora, los desafíos de caracterizar experimentalmente las fases del agua a nanoescala han impedido una comprensión completa de su comportamiento. Pero en un artículo publicado en la revista Nature , el equipo dirigido por Cambridge describe cómo han utilizado los avances en enfoques computacionales para predecir el diagrama de fase de una capa de agua de una molécula de espesor con una precisión sin precedentes.

Utilizaron una combinación de enfoques computacionales para permitir la investigación a nivel de primeros principios de una sola capa de agua.

Los investigadores encontraron que el agua que está confinada en una capa de una molécula de espesor pasa por varias fases, incluida una fase "hexática" y una fase "superiónica". En la fase hexática, el agua no actúa ni como sólido ni como líquido, sino como algo intermedio. En la fase superiónica, que ocurre a presiones más altas, el agua se vuelve altamente conductiva, impulsando protones rápidamente a través del hielo de una manera similar al flujo de electrones en un conductor.

Comprender el comportamiento del agua a nanoescala es fundamental para muchas tecnologías nuevas. El éxito de los tratamientos médicos puede depender de cómo reaccionará el agua atrapada en las pequeñas cavidades de nuestro cuerpo. El desarrollo de electrolitos altamente conductivos para baterías, la desalinización del agua y el transporte de fluidos sin fricción dependen de la predicción del comportamiento del agua confinada.

"Para todas estas áreas, comprender el comportamiento del agua es la pregunta fundamental", dijo el Dr. Venkat Kapil del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, el primer autor del artículo. "Nuestro enfoque permite el estudio de una sola capa de agua en un canal similar al grafeno con una precisión predictiva sin precedentes".

Los investigadores encontraron que la capa de agua de una molécula de espesor dentro del nanocanal mostró un comportamiento de fase rico y diverso. Su enfoque predice varias fases que incluyen la fase hexática, un intermedio entre un sólido y un líquido, y también una fase superiónica, en la que el agua tiene una alta conductividad eléctrica.

"La fase hexática no es ni sólida ni líquida, sino intermedia, lo que concuerda con teorías previas sobre materiales bidimensionales", dijo Kapil. "Nuestro enfoque también sugiere que esta fase se puede ver experimentalmente al confinar el agua en un canal de grafeno.

"La existencia de la fase superiónica en condiciones fácilmente accesibles es peculiar, ya que esta fase generalmente se encuentra en condiciones extremas como el núcleo de Urano y Neptuno. Una forma de visualizar esta fase es que los átomos de oxígeno forman una red sólida y los protones fluyen. como un líquido a través del enrejado, como niños corriendo por un laberinto".

Los investigadores dicen que esta fase superiónica podría ser importante para futuros electrolitos y materiales de batería, ya que muestra una conductividad eléctrica de 100 a 1000 veces mayor que los materiales de batería actuales.

Los resultados no solo ayudarán a comprender cómo funciona el agua a nanoescala, sino que también sugerirán que el "nanoconfinamiento" podría ser una nueva ruta para encontrar el comportamiento superiónico de otros materiales. + Explora más

Prediciendo una nueva fase de hielo superiónico