Estudo revela resposta dielétrica da água em nanoporos

Quando a água entra em nanoporos com tamanhos abaixo de 10 nanômetros, uma nova física emerge: novas fases do gelo foram observadas e o transporte ultrarrápido de prótons foi medido. A água confinada também desempenha um papel na biologia, onde as aquaporinas cruzam membranas celulares para permitir o transporte específico de água e outras moléculas pequenas através de canais em escala nanométrica.

Entretanto, esse campo carece de uma compreensão fundamental de como o confinamento afeta a capacidade da água de filtrar um campo elétrico dentro de poros unidimensionais.

Para resolver esse desafio, cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e um colaborador da University of Texas em Austin recorreram a simulações para explicar a resposta de primeira ordem da água confinada a campos elétricos aplicados. A pesquisa aparece na capa de O Jornal de Cartas de Química Física.

Os autores descobriram um aumento na capacidade da água de filtrar campos elétricos aplicados ao longo do eixo do nanoporo unidimensional. Esse aprimoramento surge de um alinhamento de longo alcance de dipolos de água sob confinamento em relação ao fluido em massa, levando até mesmo à formação de fases exóticas de água (gelos ferroelétricos) sob confinamento extremo.

“É necessário entender a capacidade do líquido confinado de filtrar campos elétricos e como isso varia do ambiente em massa”, disse o cientista do LLNL Marcos Calegari Andrade, autor principal do artigo. “Uma melhor compreensão da resposta dielétrica da água confinada é importante não apenas para o avanço das tecnologias de separação, mas também para outras aplicações emergentes, como armazenamento e conversão de energia.”

Nanoporos menores que 10 nanômetros demonstraram seletividade iônica promissora para aplicações que vão desde a dessalinização de água até dispositivos usados ​​para divisão fotoquímica de água.

“Estudos fundamentais do efeito de confinamento na constante dielétrica da água são benéficos para entender e melhorar as tecnologias atuais”, disse o cientista do LLNL Anh Pham, coautor do artigo.

Na nova pesquisa, a equipe procurou explorar a eficiência computacional do aprendizado de máquina (ML) para derivar o efeito de nanoconfinamento hidrofóbico nas propriedades dielétricas da água a partir de uma abordagem baseada em primeiros princípios. O ML permitiu que a equipe previsse a superfície de energia potencial do sistema, bem como o dipolo molecular da água, ambos com a precisão dos cálculos mecânicos quânticos.

“Nosso trabalho revela impactos peculiares do nanoconfinamento hidrofóbico 1-D, não apenas na constante dielétrica, mas também na estrutura eletrônica da água, que não podem ser observados com simulações baseadas em campos de força paramétricos convencionais”, disse Calegari Andrade.