nanoconfinamento

L'acqua confinata in spazi minuscoli, quelli larghi appena qualche molecola, ha tenuto banco per anni tra i chimici senza che nessuno riuscisse a mettere il punto sulla faccenda. Ora un gruppo dell'Università di Cambridge sembra aver sciolto il nodo, e la risposta è meno spettacolare di quanto molti si aspettassero. Quando l'acqua confinata finisce intrappolata in queste fessure nanometriche non diventa di per sé più reattiva. A fare la differenza sono le pressioni enormi che si generano lì dentro, non lo spazio ristretto in quanto tale. Perché la scissione dell'acqua conta davvero Una delle proprietà chimiche che rende l'acqua così particolare è la sua capacità di dividersi in due particelle cariche, lo ione idronio e lo ione idrossido. È questo processo a stabilire il pH, cioè quanto una soluzione risulta acida o basica. E il pH pesa su tutto, dagli enzimi che tengono in funzione le cellule alle reazioni che avvengono dentro una batteria. Da qui la domanda che ha assillato i ricercatori: comprimere l'acqua in spazi grandi miliardesimi di metro cambia la facilità con cui avviene questa scissione? Lo studio, pubblicato su Science Advances, racconta una storia più sfumata del previsto. La presunta reattività dell'acqua nanoconfinata dipende da fattori come densità, dimensione dei pori, flessibilità delle pareti e chimica della superficie. Xavier R. Advincula, primo autore del lavoro, spiega che confrontando i sistemi nelle stesse condizioni termodinamiche, cioè allo stesso potenziale chimico, l'effetto del confinamento praticamente svaniva. Il confinamento da solo non modifica la reattività dell'acqua. Ecco perché per dieci anni gli esperimenti avevano prodotto risultati contraddittori, gli scienziati confrontavano sistemi a pressioni o densità diverse senza rendersene conto. La pressione, non lo spazio stretto Per venirne a capo il gruppo si è affidato a simulazioni basate sul machine learning, capaci di riprodurre l'accuratezza della meccanica quantistica ma su una gamma di condizioni molto più ampia rispetto ai metodi tradizionali. L'acqua è stata studiata intrappolata tra fogli di grafene e di nitruro di boro esagonale, due materiali spessi un solo atomo e strutturalmente simili, eppure diversissimi nella chimica di superficie. Le simulazioni hanno tirato fuori un dettaglio sorprendente. Le goccioline d'acqua confinate tra questi materiali sopportano pressioni interne altissime, fino a diversi gigapascal, paragonabili a quelle che si trovano nelle profondità della Terra. E senza nessuna forza applicata dall'esterno. La pressione nasce spontaneamente dall'attrazione di van der Waals tra gli strati sottilissimi. La forza tra i singoli atomi è debole, certo, ma su una superficie così estesa diventa potente, tira i fogli l'uno verso l'altro e schiaccia l'acqua in mezzo. Ed è proprio questa pressione a far aumentare la scissione delle molecole. Quando i ricercatori hanno confrontato l'acqua confinata con acqua normale sottoposta alla stessa pressione, il comportamento era praticamente identico. Il professor Angelos Michaelides, del dipartimento di chimica di Cambridge, ammette che la cosa più sorprendente è stata scoprire quanto dell'effetto attribuito al confinamento fosse in realtà spiegabile con la termodinamica. Il materiale attorno fa comunque la sua parte Comprimere l'acqua in spazi minuscoli non la rende di per sé più reattiva, ma il materiale che la circonda può ancora incidere sulla sua chimica. Nelle goccioline confinate dal nitruro di boro esagonale, gli ioni idrossido formatisi lungo i bordi si legavano chimicamente al materiale circostante. Questo stabilizzava gli ioni, abbassava l'energia necessaria alla scissione e aumentava la quantità di dissociazione. Con il grafene lo stesso effetto non compariva, perché la sua superficie chimicamente inerte non partecipa alla reazione. Christoph Schran, del Theory of Condensed Matter Group al Cavendish Laboratory, sottolinea che il lavoro offre un principio pratico di progettazione. Invece di guardare solo alla dimensione di pori e canali, si può regolare la reattività dell'acqua scegliendo un materiale confinante le cui superfici interagiscono con i prodotti della dissociazione e controllando le pressioni che si generano dentro questi spazi. I risultati potrebbero avere ricadute su tecnologie che dipendono dall'acqua confinata, dalle celle a combustibile a idrogeno alle batterie, dalle membrane a selettività ionica ai sistemi catalitici. Il prossimo passo sarà studiare ambienti più realistici, con i difetti e i bordi tipici dei materiali reali, e confrontare le previsioni con misure di laboratorio ottenute grazie a tecniche spettroscopiche e nanofluidiche avanzate. In parallelo il gruppo sta passando al setaccio intere famiglie di materiali bidimensionali per individuare le combinazioni capaci di aumentare o smorzare la reattività dell'acqua a seconda dell'applicazione.

nanoconfinamento

Acqua confinata, il mistero durato 10 anni finalmente risolto