A água faz algo muito estranho quando fica presa em pequenos buracos: WebCuriosos
Até o nível celular, a vida requer água para sobreviver.
Prevendo quão líquido H2O abrir caminho através de encanamentos em escala molecular requer um nível de simulação que atualmente sobrecarrega até mesmo os computadores mais poderosos.
Assim, pesquisadores nos EUA recorreram ao aprendizado de máquina para descobrir como as propriedades elétricas da água mudam quando presas dentro de cilindros de tamanho nanométrico feitos de carbono puro.
Não se deixe enganar pela aparente simplicidade da água. Dentro de cada molécula há um único oxigênio intimidando seus companheiros de hidrogênio por mais do que o seu quinhão de tempo de elétron, criando um desequilíbrio na carga chamado de dipolo.
Este desequilíbrio confere à água a sua mistura de propriedades invulgares, permitindo-lhe aderir livremente de formas que explicam a tensão superficial, ou espalhar-se numa grande variedade de formações à medida que congela em gelo.
Embaladas dentro de um nanotubo de carbono hidrofóbico que um vírus comum pode considerar como o tamanho perfeito para uma caneca de café, as moléculas de água aumentam as interações com um campo elétrico graças ao seu confinamento.
Saber exatamente como e por que isso ocorre não foi totalmente descrito.
“É necessário compreender a capacidade do líquido confinado de filtrar campos elétricos e como isso varia em relação ao ambiente em massa”, diz autor principal Marcos Calegari Andrade, cientista de materiais do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL).
“Uma melhor compreensão da resposta dielétrica de águas confinadas é importante não apenas para o avanço das tecnologias de separação, mas também para outras aplicações emergentes, como armazenamento e conversão de energia.”
O efeito dielétrico descreve como materiais como a água respondem aos campos elétricos. Onde materiais condutores, como fios de cobre, transferem cargas elétricas na forma de corrente, os componentes carregados dos materiais dielétricos giram para se alinharem de maneira que retroalimentem o campo elétrico mais amplo.
Acondicionar moléculas de água em nanotubos de carbono com diâmetro inferior a 10 nanômetros revelou novas fases da água no passado e foi mostrado para facilitar uma transferência muito mais rápida de prótons através de cadeias unidimensionais de moléculas de água.
Expandindo o tamanho dos poros também deu a entender a formação de estruturas de gelo que não seriam vistas em corpos d’água maiores.
No entanto, aplicar uma estrutura teórica para explicar esses resultados experimentais é mais fácil de falar do que fazer. É possível construir uma imagem relativamente completa do comportamento molecular construindo simulações a partir dos primeiros princípios, mas apenas para algumas centenas de átomos em escalas de tempo de uma pequena fração de segundo.
Para determinar as constantes dielétricas que correm em outras direções através da câmara, os pesquisadores executaram princípios fundamentais por meio de um processo de aprendizado de máquina. Isso permitiu um quadro mais completo que incluía efeitos quânticos para calcular a energia potencial e descrever a oscilação de moléculas individuais.
A sua abordagem revelou uma estrutura electrónica que não teria sido aparente em simulações convencionais, uma estrutura que se constrói paralelamente às paredes do tubo que desce ao longo do eixo da coluna de água.
Na simulação, a constante dielétrica no eixo dos nanotubos de carbono aumentou à medida que o diâmetro dos tubos diminuía. Atingiu o pico de 0,79 nanômetros, onde as moléculas de água são forçadas a se alinhar em uma única fila.
Mapear o aumento do efeito dielétrico da água nessas pequenas escalas poderia fornecer aos biólogos moleculares pistas vitais sobre o fluxo de água e outros materiais através de minúsculos canais celulares, ou ajudar os pesquisadores a adaptar produtos farmacêuticos que possam operar de forma mais eficaz em soluções confinadas em pequenos espaços.
“Estudos fundamentais do efeito do confinamento na constante dielétrica da água são benéficos para compreender e melhorar as tecnologias atuais”, diz Anh Pham, cientista de materiais computacionais do LLNL.
Esta pesquisa foi publicada em O Jornal de Cartas de Físico-Química.
