La forma del agua: El aspecto de las moléculas de agua en la superficie de los materiales
Los científicos combinan técnicas de análisis de datos con simulaciones de dinámica molecular para comprender la estructura del agua en las superficies materiales.
La comprensión de las diversas interacciones y estructuras moleculares que surgen entre las moléculas de las aguas superficiales permitiría a los científicos e ingenieros desarrollar todo tipo de materiales hidrofóbicos/hidrófilos novedosos o mejorar los existentes. Por ejemplo, la fricción causada por el agua en los barcos podría reducirse mediante la ingeniería de materiales, lo que conduciría a una mayor eficiencia. Otras aplicaciones incluyen, entre otras, implantes médicos y superficies antihielo para aviones. Sin embargo, los fenómenos que ocurren en las aguas superficiales son tan complicados que la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón, ha establecido un centro de investigación dedicado, llamado "Ciencia y Tecnología de la Frontera del Agua", en el que varios grupos de investigación abordan este problema desde diferentes ángulos (análisis teóricos, estudios experimentales, desarrollo de materiales, etc.). El profesor Takahiro Yamamoto dirige un grupo de científicos en este centro, y tratan de resolver este misterio a través de simulaciones de las estructuras microscópicas, propiedades y funciones del agua en la superficie de los materiales.
La combinación de técnicas de análisis de datos con simulaciones de dinámica molecular puede ayudarnos a entender la estructura del agua en las superficies materiales.
Tokyo University of Science
Para este estudio en particular, que se publicó en la Revista Japonesa de Física Aplicada, los investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio, en colaboración con investigadores de la División de Soluciones Científicas del Mizuho Information & Research Institute, Inc. se centraron en las interacciones entre las moléculas de agua y el grafeno, un material basado en el carbono de carga neutra que puede hacerse plano atómicamente. "El agua superficial sobre nanomateriales de carbono como el grafeno ha atraído mucha atención porque las propiedades de estos materiales los hacen ideales para estudiar la estructura microscópica del agua superficial", explica el Profesor Yamamoto. Ya se había señalado en estudios anteriores que las moléculas de agua en el grafeno tienden a formar formas poligonales estables (2D) tanto en el agua superficial como en el agua "libre" (moléculas de agua alejadas de la superficie del material). Además, se había observado que la probabilidad de encontrar estas estructuras era drásticamente diferente en las aguas superficiales que en las aguas libres. Sin embargo, hay que establecer las diferencias entre el agua superficial y el agua libre, y la transición entre ambas es difícil de analizar con los métodos de simulación convencionales.
Considerando esta situación, el equipo de investigación decidió combinar un método tomado de la ciencia de los datos, llamado homología persistente (PH), con simulaciones de dinámica molecular. El PH permite la caracterización de las estructuras de datos, incluyendo las contenidas en imágenes/gráficos, pero también puede ser utilizado en la ciencia de los materiales para encontrar estructuras 3D estables entre las moléculas. "Nuestro estudio representa la primera vez que el PH se utilizó para un análisis estructural de las moléculas de agua", comenta el Prof. Yamamoto. Con esta estrategia, los investigadores pudieron obtener una mejor idea de lo que sucede con las moléculas de agua de la superficie a medida que se agregan más capas de agua en la parte superior.
Cuando se coloca una sola capa de moléculas de agua sobre el grafeno, las moléculas de agua se alinean de manera que sus átomos de hidrógeno forman estructuras poligonales estables con diferentes números de lados a través de los enlaces de hidrógeno. Esto "fija" la orientación y la posición relativa de estas moléculas de agua de primera capa, que ahora están formando formas paralelas a la capa de grafeno. Si se añade una segunda capa de moléculas de agua, las moléculas de la primera y segunda capa forman estructuras tridimensionales llamadas tetraedros, que se asemejan a una pirámide pero con una base triangular. Curiosamente, estos tetraedros están en su mayoría apuntando hacia abajo (hacia la capa de grafeno), porque esta orientación es "energéticamente favorable". En otras palabras, el orden de la primera capa se traduce a la segunda para formar estas estructuras 3D con una orientación consistente. Sin embargo, a medida que se agregan más y más capas, los tetraedros que se forman no necesariamente apuntan hacia abajo y en su lugar parecen estar libres para apuntar en cualquier dirección, influenciados por las fuerzas circundantes. "Estos resultados confirman que el cruce entre el agua superficial y el agua libre se produce dentro de sólo tres capas de agua", explica el profesor Yamamoto.
Los investigadores han proporcionado un video de una de sus simulaciones en la que se destacan estas estructuras 2D y 3D, lo que permite comprender la imagen completa. "Nuestro estudio es un buen ejemplo de la aplicación de las modernas técnicas de análisis de datos para obtener nuevos e importantes conocimientos", añade el profesor Yamamoto. Además, estas predicciones no deberían ser difíciles de medir experimentalmente en el grafeno mediante técnicas de microscopía de fuerza atómica, lo que sin duda confirmaría la existencia de estas estructuras y validaría aún más la combinación de las técnicas utilizadas. El profesor Yamamoto concluye: "Aunque el grafeno es una superficie bastante simple y podríamos esperar estructuras de agua más complicadas en otros tipos de materiales, nuestro estudio proporciona un punto de partida para discusiones de efectos superficiales más realistas, y esperamos que lleve al control de las propiedades de la superficie".
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