El agua nanoconfinada.

En el artículo Dielectric ordering of water molecules arranged in a dipolar lattice, publicado en la revista Nature Communications, más de veinte científicos e investigadores del Rusia, Alemania, República Checa y Japón descubrieron moléculas de agua separadas, confinadas dentro de nanocavidades formadas por iones de la red cristalina del mineral cordierita (una zeolita). La primera observación experimental confiable de una transición de fase en una red de moléculas de agua acopladas dipolo-dipolo (dipolo: conjunto de dos polos eléctricos de signos opuestos y cercanos entre sí) es, en sí misma, un importante avance fundamental.

Crédito: Daria Sokol MIPT.

Además, el fenómeno descubierto también puede encontrar aplicaciones prácticas en ferroeléctricos (la región en la que los dipolos se alinean en el mismo sentido se denomina dominio ferroeléctrico) , sistemas cuánticos artificiales y nanoelectrónica biocompatible. La método consiste en colocar moléculas de agua separadas con su momento dipolar eléctrico alto en la denominada matriz dieléctrica (red cristalina de cordierita) con huecos a nanoescala distribuidos periódicamente formados por iones de red. A continuación (durante el crecimiento de los cristales), se obtiene un cristal de fácil manejo con moléculas de agua prácticamente libres atrapadas en estos vacíos, la denominada agua nanoconfinada, lista para el estudio de sus propiedades en un amplio rango de temperaturas, incluida la temperatura ambiente y en diferentes entornos físicos. Un resultado clave del estudio se logró a la temperatura bastante baja de 3 K (–270 °C) cuando observaron una transición de fase ferroeléctrica del desorden al orden en la red molecular tridimensional del agua nanoconfinada. El modelado por computadora ayudó a visualizar la fase ordenada a escala nanoscópica. Los científicos se sorprendieron ya que esta fase resulta ser bastante inusual. Se manifiesta como coexistencia de ordenamientos ferroeléctricos y antiferroeléctricos de los momentos dipolares de agua. Las simulaciones también mostraron que la estructura de los dipolos de agua ordenados puede ser aún más compleja. Esto sucede cuando las moléculas del agua llenan algunas pocas de las cavidades del cristal. El estudio del agua nanoconfinada no solo tiene una importancia fundamental para el campo de las redes electrodipolares, sino que también contribuye a una comprensión más profunda de los fenómenos naturales e incluso puede permitir la construcción de dispositivos nanoelectrónicos biocompatibles. Un campo de rápido desarrollo que promete una nanoelectrónica extremadamente eficiente basada en los materiales biológicos.

Lectura complementaria.

Dielectric ordering of water molecules arranged in a dipolar lattice.