D’esquerra a dreta: René Fábregas i Gabriel Gomila (IBEC)
En un article publicat avui a la revista Science, els investigadors revelen que quan es troba en capes primes, l’aigua perd la seva polaritzabilitat, quedant elèctricament ‘morta’.
La recerca, liderada per la Dra. Laura Fumagalli i el Premi Nobel en Física Prof. Andre Geim, tots dos del National Graphene Institute a la Universitat de Manchester, ha comptat amb la participació del Gabriel Gomila, investigador principal a l’IBEC i Professor a la Universitat de Barcelona, així com amb un grup del National Institute for Materials Science del Japó.
Utilitzant tècniques noves, els investigadors van poder mesurar per primera vegada les propietats dielèctriques de l’aigua amb un gruix de solament unes poques molècules, i van demostrar que aquestes capes d’aigua de gruix atòmic prop de superfícies sòlides no responen als camps elèctrics.
La troballa té implicacions molt importants per a la comprensió de molts fenòmens en els quals l’aigua està involucrada, inclosos els que tenen lloc en tots els éssers vius.
Durant moltes dècades, els científics havien intentat sense èxit esbrinar com es comporta l’aigua a escala microscòpica arreu d’altres substàncies, superfícies sòlides i macromolècules. “Totes les superfícies estan cobertes per una capa d’aigua de solament uns pocs àtoms d’espessor “, diu la Dra. Fumagalli, autora principal de l’article. “No podem veure-la, però hi és, i la seva naturalesa ha estat debatuda durant gairebé un segle”.
Fins ara, se suposava que aquesta aigua superficial es comportava de manera diferent a l’aigua normal, famosa per la seva constant dielèctrica anòmalament alta. Es va pronosticar que aquestes capes primes d’aigua exhibirien una resposta elèctrica reduïda, però es desconeixia el seu valor – sent un tema controvertit en la química física moderna.
A fi de resoldre el debat, els col·laboradors van haver de desenvolupar noves eines per mesurar la constant dielèctrica en una escala molt petita. “Per estudiar les propietats d’aquestes capes d’aigua tan fines, un ha de desfer-se dels efectes de la resta de molècules d’aigua que domina el comportament general”, comenta el professor Gomila, que lidera el grup Caracterització bioelèctrica a la nanoescala de l’IBEC.
Els científics ho van dur a terme creant canals especials que tenien solament alguns àngstroms de grandària (un àngstrom és una desena de nanòmetre) i que acomodaven solament unes poques capes d’aigua, i després van emprar una tècnica de mesura nova capaç de sondejar la constant dielèctrica de l’aigua dins dels nanocanals.
Per a la seva sorpresa, 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 dels quals 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 dos a tres molècules d’aigua d’espessor.
“Aquesta anomalia no és solament una curiositat acadèmica, sinó que té clares implicacions en molts camps, i en les ciències de la vida en particular”, diu el professor Andre Geim, que va rebre el Premi Nobel de Física el 2010. “Les interaccions elèctriques amb molècules d’aigua juguen un paper important en la formació de molècules biològiques com 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”.
El treball ha rebut el suport del Engineering and Physical Sciences Research Council, la Lloyd’s Register Foundation, la Royal Society, Graphene Flagship, l’European Research Council, el Ministeri d’Indústria, Economia i Competitivitat (MINECO) i l’ICREA Academia Award.
L. Fumagalli, A. Esfandiar, R. Fabregas, 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, 22 Jun 2018: Vol. 360, Issue 6395, pp. 1339-1342. DOI: 10.1126/science.aat4191
