Pesquisadores da Universidade de Cambridge solucionaram um enigma de décadas sobre o comportamento da água em espaços extremamente pequenos, revelando que a reatividade da água confinada não é intrinsecamente maior, mas sim influenciada pela pressão intensa criada nesses ambientes microscópicos.

A água, um dos compostos mais estudados, sempre gerou debates sobre como sua química é afetada quando comprimida em espaços que medem apenas alguns nanômetros. Esses espaços são comuns na natureza e em tecnologias, como poros em escala nanométrica, membranas e canais biológicos. O estudo recente, publicado na revista Science Advances, traz novas nuances à discussão, esclarecendo resultados conflitantes de investigações anteriores.

Importância da separação de moléculas de água

Uma das características químicas mais relevantes da água é sua capacidade de se dissociar em partículas carregadas, os íons H3O+ (hidronium) e OH- (hidróxido). Esse processo é crucial para determinar o pH das soluções, influenciando reações que vão desde o funcionamento de enzimas nas células até processos em baterias.

Os cientistas buscavam entender se a contenção da água em espaços de apenas bilhões de metros afeta a facilidade com que essa dissociação ocorre. Os resultados sugerem que a reatividade da água confinada depende de fatores como densidade, tamanho dos poros, flexibilidade das paredes e química da superfície.

O autor principal do estudo, Xavier R. Advincula, explicou: "Quando comparamos sistemas sob condições termodinâmicas equivalentes, o efeito do confinamento desapareceu. Em outras palavras, o confinamento em si não altera a reatividade da água, o que explica as contradições observadas em experimentos anteriores".

Simulações e pressões internas elevadas

Para abordar a questão, os pesquisadores utilizaram simulações de aprendizado de máquina que permitem estudar uma gama mais ampla de condições do que os métodos computacionais tradicionais. Eles analisaram a água confinada entre folhas de grafeno e nitreto de boro hexagonal (hBN). Embora ambos os materiais sejam extremamente finos e possuam estruturas semelhantes, suas químicas superficiais são diferentes.

As simulações mostraram que as gotas de água nessas condições experimentam pressões internas extremamente altas, alcançando vários gigapascal, semelhantes às encontradas nas profundezas da Terra, mesmo sem força externa aplicada. Essa pressão se desenvolve naturalmente devido à atração de van der Waals entre as camadas atômicas.

Os pesquisadores descobriram que a pressão intensa aumenta significativamente a dissociação das moléculas de água. No entanto, quando compararam a água confinada com água em estado bruto sob a mesma pressão, ambas apresentaram comportamentos semelhantes, indicando que a reatividade aumentada provém da pressão e não apenas do confinamento.

Embora o confinamento não aumente a reatividade da água por si só, a química do material circundante pode ainda influenciar seu comportamento. No caso de gotas de água confinadas pelo hBN, os íons hidroxila formados ao redor das bordas se ligaram quimicamente ao material circundante, estabilizando os íons e aumentando a quantidade de dissociação.

Os resultados deste estudo oferecem um novo entendimento sobre a química da água em escala nanométrica e podem ter implicações importantes para tecnologias que dependem de água confinada, como células de combustível de hidrogênio e sistemas catalíticos.