Cientistas descobriram ainda outro aspecto surpreendente do comportamento estranho e maravilhoso da água – desta vez quando submetida a confinamento em nanoescala a temperaturas abaixo de zero.
A descoberta de que uma substância cristalina pode prontamente liberar água em temperaturas tão baixas quanto -70 °C, publicada na revista Nature em 12 de abril, tem grandes implicações para o desenvolvimento de materiais projetados para extrair água da atmosfera.
Uma equipe de químicos supramoleculares da Universidade de Stellenbosch (SU), formada pelo Dr. Alan Eaby, Prof. Catharine Esterhuysen e Prof. dez anos atrás.
“Atualmente, os cientistas são especialistas em projetar materiais que podem absorver água”, explica Barbour. “No entanto, é muito mais difícil conseguir que esses materiais (nós os chamamos de ‘hidratos’) liberem a água sem ter que fornecer energia na forma de calor. Como todos sabemos, a energia é cara e raramente completamente ‘verde’. ”
O composto químico em questão foi originalmente sintetizado pelo professor Marcin Kwit, especialista em estereoquímica orgânica da Universidade Adam Mickiewicz, na Polônia. Foi então cristalizado e levado ao laboratório de Barbour para um estudo mais aprofundado pelo colega de pós-doutorado Dr. Agnieszka Janiak. Isso ocorreu principalmente por causa do interesse de Barbour em moléculas em forma de anel e como elas formam canais quando agrupadas em cristais.
Janiak notou que os cristais eram amarelos em alguns dias e vermelhos em outros. Não demorou muito para ela perceber que os cristais só ficariam vermelhos em dias com níveis de umidade superiores a 55%. Quando os níveis de umidade caíam abaixo desse nível, os cristais voltavam a ser amarelos.
“Esse comportamento não era apenas bastante incomum”, explica Barbour, “também estava acontecendo muito rápido. Parece que os cristais estavam absorvendo água tão rapidamente em alta umidade quanto a perdiam novamente em baixa umidade. Embora estejamos familiarizados com materiais projetados para absorver água, é altamente incomum para um material que absorve água facilmente perdê-la com a mesma facilidade.”
Por que esses cristais têm propriedades tão especiais? Essa pergunta iniciou uma investigação de quase dez anos, que inicialmente se concentrou em explicar o mecanismo por trás da mudança de cor. A modelagem teórica de Esterhuysen e do aluno de mestrado Dirkie Myburgh mostrou que a absorção de água causa pequenas mudanças nas propriedades eletrônicas dos cristais, fazendo com que fiquem vermelhos. Com propriedades tão notáveis, Barbour estava convencido de que os cristais também teriam outras propriedades interessantes.
Foi quando o Ph.D. o aluno Alan Eaby começou a se interessar pelo material. Inicialmente, ele se concentrou em estudos de temperatura ambiente para sua pesquisa de mestrado, mas depois voltou sua atenção para a medição de propriedades em temperaturas mais baixas quando embarcou em seu doutorado. três anos atrás. Ele queria saber como os cristais se comportariam quando submetidos a diferentes temperaturas e níveis de umidade: “Fiquei intrigado com a mudança de cor e quis explorar o que acontecia na escala atômica”, explica.
Tendo aprendido sobre o desenvolvimento de instrumentos e métodos de Barbour, ele embarcou no emprego de técnicas não padronizadas para entender os mecanismos de absorção e liberação de água no material.
Um dia, ele observou algo estranho acontecendo em temperaturas abaixo de zero grau Celsius. “Percebi que o cristal ainda mudava de cor em temperaturas abaixo de zero. Inicialmente pensei que havia algo errado com a configuração experimental ou com o controlador de temperatura, pois os hidratos de cristal não deveriam liberar água em temperaturas tão baixas”, explica.
Depois de muitas conversas e pausas para café com Barbour e Esterhuysen, e ajustando a configuração experimental várias vezes, eles perceberam que as observações de Alan poderiam ser explicadas pela estreiteza dos canais no material. Os canais no cristal têm apenas um nanômetro de largura – um milésimo do diâmetro de um fio de cabelo humano.
Já se sabia que, em nanoescala, a água pode permanecer móvel dentro dos canais em temperaturas abaixo de 0°C. No entanto, este estudo mostrou pela primeira vez que tais canais também podem permitir a absorção e liberação de água em temperaturas muito abaixo de seu ponto normal de congelamento.
Para entender esse processo, Eaby empreendeu uma série extensa e sistemática de estudos de difração de raios-X dos cristais vermelhos e amarelos em diferentes temperaturas e umidades. Isso lhe permitiu construir um “filme” gerado por computador, com resolução em escala atômica, do que acontece com os canais durante o resfriamento ou aquecimento e na presença ou ausência de água. Essas animações indicaram que as moléculas de água nos nanocanais se movem livremente até esfriarem a -70 °C, quando passam por um “evento de estruturação reversível” para se assemelhar a um estado vítreo. Essa “transição vítrea” acaba fazendo com que a água fique presa no material em temperaturas abaixo de -70°C.
Se não fosse pelo comportamento de mudança de cor dos cristais em primeiro lugar, eles não teriam percebido a capacidade de perda de água em temperaturas ultrabaixas. “Quem sabe”, diz Barbour, “pode haver muitos outros materiais com a capacidade de absorver e liberar água em temperaturas muito baixas, como estruturas metal-orgânicas e estruturas orgânicas covalentes.
“Simplesmente não sabemos sobre isso porque não conseguimos visualizá-lo. Agora que sabemos que tal comportamento é possível, ele abre todo um novo campo de pesquisa e possíveis aplicações. Os pesquisadores podem usar essas novas informações para identificar outros materiais com propriedades semelhantes, e também usar os princípios que desenvolvemos para ajustar a liberação de água em baixas temperaturas. Isso pode levar a reduções drásticas nos custos energéticos da captação de água atmosférica, com implicações para a sociedade e o meio ambiente,” ele conclui.
Publicado em 16/04/2023 01h28
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