Desvendando o comportamento da água nanoconfinada e do gelo em condições extremas

Compreender o comportamento da água em nanoporos é crucial tanto para a ciência quanto para aplicações práticas. Cientistas da Universidade Municipal de Hong Kong (CityU) revelaram o comportamento notável da água e do gelo sob alta pressão e temperatura, e forte confinamento.

O estudo, intitulado “Rich Proton Dynamics and Phase Behaviors of Nanoconfined Ices”, foi publicado em Física da Natureza.

Estas descobertas, que desafiam o comportamento normal observado na vida quotidiana, têm um imenso potencial para avançar a nossa compreensão das propriedades incomuns da água em ambientes extremos, como no núcleo de planetas gelados distantes. As implicações deste grande avanço científico abrangem vários campos, incluindo ciência planetária, ciência energética e engenharia nanofluídica.

Liderada pelo professor Zeng Xiaocheng, professor titular do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da CityU, a equipe de pesquisa empregou métodos computacionais de última geração para simular as propriedades da água e do gelo sob condições extremas.

Através do potencial de aprendizado de máquina, pesquisas de estrutura cristalina, dinâmica molecular integral e metadinâmica, eles conduziram simulações abrangentes de água mono e bicamada sob nanoconfinamento. Essas simulações revelaram uma série de fenômenos intrigantes, incluindo derretimento bidimensional (2D) de gelo em água, novo comportamento do gelo, divisão da água e dinâmica de prótons em nanogelo.

A equipe de pesquisa descobriu 10 novos estados de gelo 2D, cada um exibindo características únicas. Notavelmente, eles identificaram gelo molecular 2D com uma configuração OHO simétrica, reminiscente do 3D Ice X de maior densidade encontrado na Terra. Além disso, eles observaram gelo dinâmico parcialmente iônico e vários gelos superiônicos. Surpreendentemente, estes estados de gelo 2D poderiam ser produzidos a pressões muito mais baixas do que os seus homólogos 3D com densidade de água semelhante, tornando-os mais acessíveis em condições de laboratório.

O Professor Zeng enfatizou a importância destas descobertas, afirmando que representam uma nova fronteira na compreensão da física e da química da água e do gelo sob condições extremas, particularmente no núcleo de planetas gigantes gelados.

“O potencial para criar estes estados únicos de divisão de gelo e água em laboratório, incluindo gelos dinâmicos, parcialmente iônicos e superiônicos a uma pressão mais baixa do que se pensava ser possível, é particularmente emocionante”, disse o professor Zeng.

Explorar o comportamento da água e do gelo sob diferentes condições, especialmente quando o nanoconfinamento é considerado, é uma tarefa profundamente complexa.

A equipe de pesquisa enfrentou esse desafio por meio de um extenso número de simulações de dinâmica molecular e dinâmica molecular integral de caminho, gerando um vasto conjunto de dados. Extrair insights significativos desta enorme quantidade de dados representou um desafio significativo de análise de dados, exigindo uma exploração meticulosa.

Estas descobertas abrem caminho para pesquisas futuras sobre os mistérios dos planetas gigantes gelados e as propriedades fundamentais da água. A próxima fase desta pesquisa envolve a validação experimental das previsões computacionais e a exploração de aplicações práticas.

O professor Zeng expressou entusiasmo sobre o potencial desta investigação para aprofundar a nossa compreensão da água, do gelo e da divisão da água em ambientes extremos, ao mesmo tempo que abre novas fronteiras na nanociência e na investigação planetária.