Simulações e experimentos revelam detalhes sem precedentes sobre o movimento da água em água salgada

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Em soluções de água salgada, as moléculas de água se movem rapidamente em torno de íons de sal em uma escala de mais de um trilhão de vezes por segundo, de acordo com experimentos e simulações conduzidos por cientistas da Universidade de Nova York e da Sorbonne.

“Há mais nas soluções salinas do que aparenta”, disse Alexej Jerschow, professor do Departamento de Química da NYU e um dos autores seniores do estudo. “Isso ficou evidente quando medimos e modelamos a dinâmica muito rápida dos íons de cloreto de sódio e das moléculas de água circundantes”.

As descobertas, publicadas na Natureza Comunicaçõespermitirá que os pesquisadores construam modelos mais confiáveis ​​para prever a dinâmica dos íons, que podem ser usados ​​para uma variedade de empreendimentos científicos, desde a melhoria de baterias recarregáveis ​​até ressonâncias magnéticas.

Os íons são onipresentes e essenciais para a vida. Muitos íons, como sódio e potássio, são difundidos no corpo humano e determinam a viabilidade celular, a sinalização nervosa e a integridade estrutural dos tecidos. A forma como os íons interagem com os solventes também desempenha um papel crítico; por exemplo, baterias recarregáveis ​​dependem do movimento de íons através de soluções eletrolíticas.

Os íons em uma solução à base de água são normalmente cercados por quatro a seis moléculas de água, mas não é bem compreendido até que ponto essas moléculas se movem como uma unidade e quanto movimento as moléculas de água experimentam. Os modelos usados ​​anteriormente foram inadequados para capturar o movimento combinado entre a água e os íons.

Para estudar o movimento das moléculas de sal e água, os pesquisadores usaram a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR), uma ferramenta versátil que é usada rotineiramente para determinar a estrutura das moléculas, e combinaram os dados experimentais com simulações de computador detalhadas que podem modelar a dinâmica em torno íons de sal em escala atômica.

Testando a água salgada em uma ampla gama de concentrações e temperaturas e combinando dados experimentais e simulações de computador, os pesquisadores observaram que as moléculas de água se movem em torno dos íons de sódio e cloreto em um ritmo extremamente rápido – mais de um trilhão de vezes por segundo. Além disso, presumia-se anteriormente que os íons se movem juntos com as moléculas de solvente circundantes como uma unidade, mas o experimento mostrou que não é esse o caso; em vez disso, as moléculas de água se movem muito mais rápido do que o complexo íon-água.

“Encontramos excelente concordância entre experimentos e simulações, o que nos permite construir modelos confiáveis ​​para dinâmica de íons”, disse Jerschow.

“Agora estamos nos voltando para eletrólitos mais complexos e para o que acontece perto de superfícies sólidas, e combinar experimentos com simulações será novamente essencial para progredir”, disse Benjamin Rotenberg, da Sorbonne Université e do Centre national de la recherche scientifique (CNRS) da França, e o outro autor sênior do estudo.

“Prevemos que este trabalho pode fornecer informações em muitas áreas – da medicina ao armazenamento de energia – que se baseiam em uma boa compreensão da dinâmica dos íons em solução”, acrescentou Jerschow.

A pesquisa foi apoiada pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01EB026456), Conselho Europeu de Pesquisa (863473) e National Science Foundation (CHE2108205).

Com informações de Science Daily.

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