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Gelo assume forma inédita entre camadas de grafeno

Estudo do comportamento da água pode contribuir para aperfeiçoamento de processos de filtragem 

No ‘gelo quadrado’, que foi visto entre folhas de grafeno, moléculas de água ficam presas em uma formação de ângulos retos. A estrutura é claramente diferente do conhecido gelo hexagonal (à direita).
Por Mark Peplow e revista Nature

Ao apertar uma gotícula d’água entre duas folhas de grafeno, pesquisadores criaram uma nova forma de gelo. Com apenas algumas moléculas de espessura, seus átomos ficam presos em um padrão quadrado de grade.

A descoberta do ‘gelo quadrado’ destaca outra impressionante propriedade do grafeno, que é formado por folhas planas de carbono, com espessura atômica. Folhas de grafeno não são apenas impressionantemente rígidas, fortes e condutivas, mas também podem exercer imensa pressão sobre moléculas presas entre elas. Isso poderia explicar porquê a água atravessa pilhas de grafeno tão rapidamente – uma propriedade que sugere que o material poderia ser usado em membranas de dessalinização para purificar a água.

Em 2012, uma equipe conduzida por Andre Geim da University of Manchester, no Reino Unido – que dividiu o Prêmio Nobel de Física de 2010 por isolar e estudar o grafeno – descobriu que vapor d’água podia atravessar folhas laminadas de óxido de grafeno, o que nem mesmo o gás hélio foi capaz de fazer. Dois anos depois, eles mostraram que a água líquida se comportava da mesma maneira entre pilhas de óxido de grafeno, mesmo quando essas pilhas filtravam outras moléculas.

Simulações de computador sugeriam que a água estava formando camadas de gelo quadrado entre as folhas de grafeno. Quando os pesquisadores empurraram o gelo de uma das extremidades, as moléculas foram deslocadas para frente em conjunto, como vagões de um trem em alta velocidade. “Mas nunca se confia em simulações de dinâmica molecular”, declara Geim. Por isso o experimento mais recente.

 Gelei ao conhecê-lo

A equipe de Geim pingou um microlitro de água em uma folha de grafeno, e então colocou uma segunda camada de grafeno sobre ela, à temperatura ambiente. Conforme a água evaporava lentamente, as folhas de grafeno eram pressionadas umas contra as outras até que ficassem a menos de um nanômetro de distância, prendendo bolsões de água entre elas.

Um microscópio eletrônico de transmissão revelou que esses bolsões continham gelo quadrado. “Isso não é totalmente inesperado”, declara Alan Soper, físico do Laboratório Rutherford Appleton em Harwell, no Reino Unido, que escreveu um artigo de notícias e opiniões que acompanha o relatório da descoberta, publicado na Nature. Quando a água se acumula em pequenos aglomerados de apenas oito moléculas, por exemplo, ela forma uma estrutura cúbica. “Mas isso nunca havia sido observado em uma camada tão extensa”, comenta ele.

Soper acredita que esse gelo quadrado pode ser qualificado como uma nova fase cristalina do gelo, juntando-se às outras 17 que já foram observadas.

Caçando planos

O gelo quadrado é incrivelmente diferente do gelo normal. Em uma única molécula de água (H2O), em forma de V, um átomo de oxigênio fica conectado a dois átomos de hidrogênio por fortes ligações químicas. Mas ele também exerce atração mais fraca sobre átomos de hidrogênio de duas moléculas de água vizinhas. No gelo, essas quatro ligações normalmente ficam arranjadas em uma forma tetraédrica (piramidal).

Em uma camada de gelo quadrado, porém, todos os átomos ficam em um plano horizontal com ângulo reto entre ligações de oxigênio-hidrogênio. Os trechos de gelo quadrado de Geim continham uma, duas ou três dessas camadas, com átomos de oxigênio em camadas adjacentes posicionadas diretamente uma sobre a outra.

A equipe calculou que as folhas de grafeno deveriam estar exercendo mais de 10 mil vezes a pressão atmosférica para achatar a água dessa forma. “Foi surpreendente ver uma pressão tão alta”, declara Geim. Essa pressão é gerada quando os átomos de carbono do grafeno ficam próximos o bastante para distorcer as nuvens de elétrons uns dos outros. Isso provoca uma atração mútua, conhecida como força de van der Waals, entre átomos de carbono em camadas adjacentes de grafeno. “É como ter milhões de pequenas molas que os mantêm juntos”, compara Soper.

Geim acredita que o gelo quadrado poderia aparecer em outros locais apertados, como o interior de nanotubos. Identificar suas propriedades deve ajudar no desenvolvimento de melhores filtros de dessalinização baseados em grafeno. Descobrir como a água se comporta em um capilar é uma grande parte do que precisamos para produzir um bom filtro e esse é um passo importante”, pondera Geim.

O vídeo mostra novo processo de formação de gelo em sanduiche de grafeno. 

Publicado por Scientific American em 26 de março de 2015.