Fricção quântica: Água consegue “falar” com os elétrons no grafeno

No âmbito da Física, os mundos sólido e líquido interagem apenas através de colisões das moléculas do líquido com os átomos do sólido. No entanto, um estudo teórico tem alterado este paradigma, sugerindo que, na interface água-carbono, as moléculas do líquido e os elétrons do sólido se empurram e puxam mutuamente, abrandando o fluxo do líquido.

Um novo estudo – realizado por cientistas do Instituto Max Plank para a Investigação de Polímeros de Mainz (Alemanha), do Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia (Espanha) e da Universidade de Manchester (Reino Unido) –, concluiu que a água pode mesmo interagir diretamente com os elétrons do carbono: um fenômeno quântico muito invulgar na dinâmica dos fluidos.

A equipe analisou uma amostra de grafeno, uma monocamada de átomos de carbono dispostos em forma de favo de mel, e utilizou impulsos ultracurtos de laser vermelho (com uma duração de apenas um milionésimo de bilionésimo de segundo) para aquecer instantaneamente a nuvem de elétrons do material.

Depois, monitorizou o seu arrefecimento com impulsos de laser terahertz, que são sensíveis à temperatura dos elétrons do grafeno. A nuvem de elétrons esfriou mais rapidamente quando o grafeno foi imerso em água, enquanto que a imersão do grafeno em etanol não fez qualquer diferença na taxa de arrefecimento.

Uma das explicações plausíveis é que os elétrons quentes empurram e puxam as moléculas de água para libertarem parte do seu calor. No fundo, arrefecem por fricção quântica. Concluindo que a fricção quântica entre a água e o grafeno pode mesmo explicar os mais recentes dados experimentais.

O que torna a água especial, neste caso, é o fato de suas vibrações  estarem em sincronia com as vibrações dos elétrons do grafeno, fazendo com que a transferência de calor grafeno-água seja reforçada através de um efeito conhecido como ressonância.

As experiências confirmam assim o mecanismo básico da fricção quântica sólido-líquido, um avanço que poderá ter implicações nos processos de filtragem e dessalinização, nos quais a fricção quântica poderá ser utilizada para ajustar as propriedades de permeação das membranas nanoporosas.