El agua se solidifica al ser calentada en el interior de un nanotubo de carbono

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El paso del agua por un nanotubo de carbono depende de la temperatura. A baja temperatura se comporta como un líquido, pero conforme sube la temperatura no puede alcanzar el estado gaseoso y se solidifica. Un resultado sorprendente e inesperado. La molécula de agua tiene 0,275 nanómetors de diámetro, mientras que el nanotubo de carbono tiene 1,05 nanómetros de diámetro interior. Quizás no sea algo tan descabellado, pero el resultado ha sorprendido a Michael Strano (MIT) y sus colegas, que lo publican en la revista Nature Nanotechnology.

Con seguridad el agua se solidifica a unos 151 ºC dentro del nanotubo, aunque quizás el efecto ya ocurre por encima de 105 ºC (determinar la temperatura exacta no es fácil debido a las técnicas de imagen Raman que se han usado). Este descubrimiento sorprendente puede tener aplicaciones en la fabricación de nanohilos de hielo (ice nanowires) que podrían usarse para el transporte de protones. Por supuesto hay otras aplicaciones nanotecnológicas.

El artículo es Kumar Varoon Agrawal, Steven Shimizu, …, Michael S. Strano, «Observation of extreme phase transition temperatures of water confined inside isolated carbon nanotubes,» Nature Nanotechnology (28 Nov 2016), doi: 10.1038/nnano.2016.254. Me he enterado gracias a un tuit de Jose Cuesta‏, @InerciaCreativa, que cita a David L. Chandler, «Inside tiny tubes, water turns solid when it should be boiling,» MIT News Office, 28 Nov 2016.

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La nueva transición de fase del agua confinada en un nanotubo de carbono se ha estudiado para seis nanotubos (con diámetros de 1,05, 1,06, 1,15, 1,24, 1,44 y 1,52 nm) usando espectroscopia Raman. El agua llena el nanotubo conforme sube la temperatura hasta que acaba congelándose entre 105 y 151 °C para nanotubos de 1,05 nm y entre 87 y 117 °C para 1,06 nm. Para nanotubos más grandes, el estado sólido se observa para temperaturas bajas; por ejemplo para nanotubos de 1,44 nm se observa entre 15 y 49 °C y para 1,52 nm entre 3 y 30 °C. En el caso intermedio, nanotubos de 1,15 nm la congelación se produce donde uno la esperaría, entre −35 y 10 ºC.

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Los intervalos de temperatura asociados a la transición de fase líquido-sólido en el nanotubo de carbono son bastante imprecisos porque la técnica Raman usada para observarla no permite lograr mayor precisión. Futuros estudios serán necesarios para aclarar el tipo de transición de fase y la temperatura exacta a la que ocurre.

Por cierto, la solidificación del agua en un nanotubo de carbono fue predicha por los modelos teóricos para nanotubos con diámetros entre 1,1 y 1,2 nm a una temperatura cercana a los 100 ºC.  El nuevo trabajo, más o menos, confirma esta predicción, aunque los resultados experimentales son mucho más complicados que los predichos por la teoría. Futuros estudios teóricos tendrán que aclarar las razones detrás de estas discrepancias.



3 Comentarios

    1. Kori, grosso modo, el confinamiento dentro del nanotubo tiene el mismo efecto que la disminución de temperatura, se produce un ordenamiento molecular. Pero se necesita un incremento de temperatura para las moléculas de agua tengan energía suficiente para entrar dentro del nanotubo (parcialmente relleno) y ordenarse formando hielo en su interior.

      1. Pues vaya casualidad xD. Gracias de nuevo!

        Por cierto, entiendo entonces que, si los nanotubos se apartan del «fuego», las moléculas de agua heladas no consiguen mantener su geometría y cambian a la fase correspondiente absorbiendo, a su vez, gran cantidad de energía al medio y al propio nanotubo al transformarse en agua o vapor y, por tanto, vaciando rápidamente el interior del tubo? O por el contrario, puede mantenerse hielo estable?

        Jaja, siento estar pesado con el tema pero me parece el típico descubrimiento que bien merece sus 5 minutos de batallita en alguna de las próximas cenas navidenas.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 29 noviembre, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science
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