Los científicos han descubierto nuevas fases del agua a nivel molecular.

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

Se sabe mucho sobre el comportamiento del «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 membranas o en minúsculas cavidades a nanoescala es algo común: puede encontrarse en todo, desde las membranas de nuestro cuerpo hasta las formaciones geológicas. Pero esta agua nanoconfinada se comporta de forma muy diferente al agua que bebemos.

Hasta ahora, las dificultades para caracterizar experimentalmente las fases del agua en la nanoescala han impedido comprender plenamente su comportamiento.

Pero en un artículo publicado en la revista Nature, el equipo dirigido por Cambridge describe cómo han utilizado los avances en los enfoques computacionales para predecir el diagrama de fases 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 descubrieron que el agua confinada en una capa de una molécula de grosor pasa por varias fases, entre ellas una fase «hexática» y otra «superiónica». En la fase hexatica, el agua no actúa ni como sólido ni como líquido, sino como algo intermedio.

En la fase superiónica, que se produce a presiones más elevadas, el agua se vuelve altamente conductora, impulsando los protones rápidamente a través del hielo de forma parecida al flujo de electrones en un conductor.

Los investigadores descubrieron que la capa de agua de una molécula de espesor dentro del nanocanal mostraba un comportamiento de fase rico y diverso.

Su enfoque predice varias fases que incluyen la fase hexatica -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 hexatica no es ni un sólido ni un líquido, sino un intermedio, lo que concuerda con teorías anteriores sobre materiales bidimensionales.

Los planteamientos del estudio sugieren que esta fase puede observarse experimentalmente confinando agua en un canal de grafeno.

Según el estudio, la existencia de la fase superiónica en condiciones fácilmente accesibles es peculiar, ya que esta fase se encuentra generalmente en condiciones extremas como el núcleo de Urano y Neptuno.

Una forma de visualizar esta fase es que los átomos de oxígeno forman un entramado sólido, y los protones fluyen como un líquido a través del entramado, como niños corriendo por un laberinto.

Los investigadores afirman que esta fase superiónica podría ser importante para los futuros materiales para electrolitos y baterías, ya que presenta una conductividad eléctrica entre 100 y 1.000 veces superior a la de los materiales actuales para baterías.

Los resultados no sólo ayudarán a comprender cómo funciona el agua a escala nanométrica, sino que también sugieren que la «nanoconfinación» podría ser una nueva vía para encontrar el comportamiento superiónico de otros materiales.

Referencia: Venkat Kapil, Christoph Schran, Andrea Zen, et al. «The first-principles phase diagram of monolayer nanoconfined water». Nature, 14 September 2022.

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