Los científicos identifican un nuevo punto de referencia para el punto de congelación del agua a -70 C

Los científicos han descubierto otro aspecto sorprendente del extraño y maravilloso comportamiento del agua, esta vez cuando se somete a confinamiento a nanoescala a temperaturas bajo cero.

El descubrimiento de que una sustancia cristalina puede caer fácilmente del agua a temperaturas tan bajas como -70°C, publicado en la revista Naturaleza el 12 de abril, tiene importantes implicaciones para el desarrollo de materiales para extraer agua de la atmósfera.

Un equipo de químicos supramoleculares de la Universidad de Stellenbosch (SU), formado por el Dr. Alan Eaby, la Profesora Catharine Esterhuysen y el Profesor Len Barbour, realizó este descubrimiento al intentar comprender el comportamiento particular de un tipo de cristal que primero despertó su interés por hace diez años.

“Los científicos actualmente son expertos en el diseño de materiales capaces de absorber agua”, dice Barbour. “Sin embargo, es mucho más difícil obtener estos materiales (los llamamos ‘hidratos’) para luego liberar el agua sin tener que suministrar energía en forma de calor. Como todos sabemos, la energía es cara y rara vez completamente “verde”. ”

El compuesto químico en cuestión fue sintetizado originalmente por el profesor Marcin Kwit, especialista en estereoquímica orgánica de la Universidad Adam Mickiewicz de Polonia. Luego se cristalizó y se llevó al laboratorio de Barbour para que la investigadora postdoctoral Dra. Agnieszka Janiak la estudiara más a fondo. Esto se debió principalmente al interés de Barbour por las moléculas en forma de anillo y la forma en que forman canales cuando se agrupan en cristales.

Janiak notó que los cristales eran amarillos algunos días y rojos otros. No le tomó mucho tiempo darse cuenta de que los cristales solo se volvían rojos en los días en que la humedad estaba por encima del 55%. Cuando los niveles de humedad cayeron por debajo de este nivel, los cristales volverían a ponerse amarillos.

“Este comportamiento no solo fue bastante inusual”, explica Barbour, “sino que también sucedió muy rápidamente. Parece que los cristales absorbieron agua tan rápido con alta humedad como la perdieron nuevamente con baja humedad. materiales diseñados para absorber agua, es muy inusual que un material que absorbe fácilmente el agua la pierda tan fácilmente”.

¿Por qué estos cristales tienen propiedades tan especiales? Esta pregunta inició una investigación de casi una década, que inicialmente se centró en explicar el mecanismo detrás del cambio de color. El modelado teórico de Esterhuysen y el estudiante de maestría Dirkie Myburgh mostró que la absorción de agua provoca ligeros cambios en las propiedades electrónicas de los cristales, lo que hace que se vuelvan rojos. Con propiedades tan notables, Barbour estaba convencido de que los cristales también tendrían otras propiedades interesantes.

Fue entonces cuando el Ph.D. el estudiante Alan Eaby comenzó a jugar con el material. Inicialmente, se centró en los estudios de temperatura ambiente para la investigación de su maestría, pero luego centró su atención en la medición de propiedades a temperaturas más bajas cuando realizó su doctorado. hace tres años. Quería saber cómo se comportarían los cristales al ser sometidos a diferentes niveles de temperatura y humedad: “Me intrigaba el cambio de color y quería explorar qué sucedía a escala atómica”, explica-.

Habiendo aprendido a desarrollar instrumentos y métodos de Barbour, se embarcó en el uso de técnicas no estándar para comprender los mecanismos de absorción y liberación de agua en el material.

Un día observó que algo extraño sucedía a temperaturas bajo cero grados centígrados. “Noté que el cristal aún cambiaba de color a temperaturas bajo cero. Inicialmente pensé que había algún problema con la configuración experimental o el controlador de temperatura, porque no se esperaba que los hidratos de Crystal liberaran agua a temperaturas tan bajas”, explica.

Después de muchas conversaciones y pausas para tomar café con Barbour y Esterhuysen, y después de modificar varias veces la configuración experimental, se dieron cuenta de que las observaciones de Alan podían explicarse por la estrechez de los canales en el material. Los canales en el cristal tienen solo un nanómetro de ancho, o una milésima parte del diámetro de un cabello humano.

Ya sabíamos que a escala nanométrica, el agua puede permanecer móvil en los canales a temperaturas inferiores a 0°C. Sin embargo, este estudio mostró por primera vez que dichos canales también pueden permitir la captación Y liberación de agua a temperaturas muy por debajo de su punto de congelación normal.

Para comprender este proceso, Eaby realizó una gran serie sistemática de estudios de difracción de rayos X de cristales rojos y amarillos a diferentes temperaturas y humedades. Esto le permitió construir una “película” generada por computadora, con resolución a escala atómica, de lo que les sucede a los canales cuando se enfrían o calientan, y en presencia o ausencia de agua. Estas animaciones indicaron que las moléculas de agua en los nanocanales se mueven libremente hasta que se enfrían a -70 °C, después de lo cual experimentan un “evento de patrón reversible” para parecerse a un estado vítreo. Esta “transición vítrea” acaba atrapando agua en el material a temperaturas inferiores a -70°C.

Si no fuera por el comportamiento de cambio de color de los cristales en primer lugar, no se habrían dado cuenta de la capacidad de pérdida de agua a muy baja temperatura. “Quién sabe”, dice Barbour, “puede haber muchos otros materiales que puedan absorber y liberar agua a temperaturas muy bajas, como las estructuras organometálicas y las estructuras orgánicas covalentes.

“Simplemente no lo sabemos porque no hemos podido visualizarlo. Ahora que sabemos que ese comportamiento es posible, abre un campo completamente nuevo de investigación y aplicaciones potenciales. Los investigadores pueden usar esta nueva información para identificar otros materiales”. con propiedades similares, y también usar los principios que hemos desarrollado para refinar la liberación de agua a bajas temperaturas. Esto podría conducir a reducciones dramáticas en los costos de energía de la recolección de agua atmosférica, con implicaciones para la sociedad y el medio ambiente”, concluye.