Les propietats de l'aigua canvien a la nanoescala
Lʼaigua, una de les substàncies més fascinants de la Terra, té, entre moltes altres propietats inusuals, una alta polaritzabilitat, és a dir, una forta resposta als camps elèctrics. Recentment, una recerca de lʼInstitut Nacional del Grafè de la Universitat de Manchester, en la qual ha col·laborat lʼInstitut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), ha revelat que les capes d'aigua de tan sols unes quantes molècules de gruix —com lʼaigua que cobreix totes les superfícies que ens envolten— es comporta dʼuna manera molt diferent que quan es presenta en volums més grans. La troballa, que sʼha publicat avui a la revista Science, conclou que lʼaigua, quan està en capes primes, perd la polaritzabilitat i queda elèctricament morta, és a dir, no respon als camps elèctrics.
Lʼaigua, una de les substàncies més fascinants de la Terra, té, entre moltes altres propietats inusuals, una alta polaritzabilitat, és a dir, una forta resposta als camps elèctrics. Recentment, una recerca de lʼInstitut Nacional del Grafè de la Universitat de Manchester, en la qual ha col·laborat lʼInstitut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), ha revelat que les capes d'aigua de tan sols unes quantes molècules de gruix —com lʼaigua que cobreix totes les superfícies que ens envolten— es comporta dʼuna manera molt diferent que quan es presenta en volums més grans. La troballa, que sʼha publicat avui a la revista Science, conclou que lʼaigua, quan està en capes primes, perd la polaritzabilitat i queda elèctricament morta, és a dir, no respon als camps elèctrics.
El treball l'han dirigit Laura Fumagalli i el premi Nobel de Física Andre Geim, tots dos investigadors de lʼInstitut Nacional de Grafè (Universitat de Manchester), i hi han participat Gabriel Gomila, investigador principal a lʼIBEC i professor de la Universitat de Barcelona, així com un grup de lʼInstitut Nacional de Ciències dels Materials del Japó.
Utilitzant tècniques noves, els investigadors van poder mesurar per primera vegada les propietats dielèctriques de l'aigua amb un gruix de tan sols unes poques molècules, i van demostrar que aquestes capes d'aigua de gruix atòmic a prop de les superfícies sòlides no responen als camps elèctrics.
La recerca té implicacions importants per comprendre molts fenòmens en els quals està involucrada l'aigua, incloent-hi els que tenen lloc en tots els éssers vius. Durant moltes dècades, els científics havien intentat esbrinar sense èxit com es comporta l'aigua a escala microscòpica al voltant d'altres substàncies, superfícies sòlides i macromolècules. «Totes les superfícies estan cobertes per una capa d'aigua de tan sols uns pocs àtoms dʼespessor», explica Laura Fumagalli, autora principal de l'article. «No la podem veure, però hi és, i la seva naturalesa ha estat debatuda durant gairebé un segle».
Fins ara, se suposava que aquesta aigua superficial es comportava dʼuna manera diferent de l'aigua en volums més grans (que té una constant dielèctrica anòmalament alta). Es va pronosticar que aquestes capes primes d'aigua mostrarien una resposta elèctrica reduïda, però seʼn desconeixia el valor exacte.
A fi de resoldre aquest debat, els investigadors van desenvolupar noves eines per mesurar la constant dielèctrica a una escala molt petita. «Per estudiar les propietats d'aquestes capes d'aigua tan fines, cal desfer-se dels efectes de la resta de molècules d'aigua que dominen el comportament general», assenyala Gabriel Gomila, que lidera el Grup de Recerca en Caracterització Bioelèctrica a la Nanoescala de lʼIBEC.
Els investigadors van crear canals especials dʼuns quants àngstroms de grandària — un àngstrom és una desena de nanòmetre— que recollien unes poques capes d'aigua. Mitjançant una tècnica innovadora de mesura van ser capaços de temptejar la constant dielèctrica de l'aigua dins dels nanocanals.
Sorprenentment, van detectar que la resposta elèctrica de l'aigua confinada no solament estava afeblida, sinó que era completament absent. En altres paraules, l'aigua dins dels nanocanals era elèctricament «morta», amb els seus dipols immobilitzats i incapaços de detectar un camp elèctric extern. Aquest resultat contrasta amb el comportament de l'aigua en grans volums, les molècules de la qual tenen la llibertat d'alinear-se fàcilment al llarg dels camps elèctrics. El gruix de la capa insensible als camps elèctrics on es van realitzar les observacions va resultar ser de menys d'un nanòmetre (de dues a tres molècules d'aigua dʼespessor).
«Aquesta anomalia no és només una curiositat acadèmica, sinó que té unes implicacions clares en molts camps, i en les ciències de la vida en particular», aclareix Andre Geim. «Les interaccions elèctriques amb molècules d'aigua tenen un paper important en la formació de molècules biològiques com ara les proteïnes, per la qual cosa els nostres resultats poden ajudar a millorar la comprensió del paper de l'aigua en els processos tecnològics, i per què és tan crucial per a la vida», conclou.
El treball ha rebut el suport del Consell de Recerca en Enginyeria i Ciències Físiques (EPSRC), la Lloydʼs Register Foundation, la Royal Society, Graphene Flagship, el Consell Europeu de Recerca (ERC), lʼantic Ministeri d'Economia, Indústria i Competitivitat i els Premis ICREA Acadèmia.
Referència de lʼarticle:
L. Fumagalli, A. Esfandiar, R. Fàbregas, S. Hu, P. Ares, A. Janardanan, Q. Yang, B. Radha, T. Taniguchi, K. Watanabe, G. Gomila, K. S. Novoselov, A. K. Geim (2018). «Anomalously low dielectric constant of confined water». Science, juny de 2018.