Cómo generar y dirigir electrones en el agua líquida
Resultados sorprendentes revelan un nuevo aspecto de los campos eléctricos extremadamente fuertes en el agua líquida
Las moléculas de agua sufren movimientos de titubeo ultrarrápidos a temperatura ambiente y generan campos eléctricos extremadamente fuertes en su entorno. Nuevos experimentos demuestran cómo en presencia de tales campos se generan y manipulan electrones libres en el líquido con la ayuda de un campo terráqueo externo.
Fig. 1 a) Instantánea de la disposición de las moléculas de agua en el líquido (rojo: átomos de oxígeno, gris; átomos de hidrógeno). Las líneas de puntos indican los enlaces de hidrógeno entre las moléculas. Cada molécula de agua posee un momento d dipolo eléctrico que genera un campo eléctrico en su entorno. La disposición molecular fluctúa en el dominio del momento femtosegundo. b) Campo eléctrico fluctuante del líquido. La línea azul muestra el campo eléctrico momentáneo que actúa sobre el orbital molecular 3a1 (inserto) en función del tiempo (en femtosegundos). Los picos más fuertes inducen el proceso de ionización en túnel por el cual un electrón e- puede salir del orbital.
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Fig. 2 Espectroscopia bidimensional de terahercios (2D-THz). a) Esquema del experimento. Dos pulsos de THz A (excitación) y B (sonda) separados por el tiempo de retardo t interactúan con un fino chorro de agua (azul, espesor 50 µm). El campo de THz transmitido es registrado por un detector de resolución de fase que utiliza el muestreo electroóptico (EOS). b) Campo eléctrico dependiente del tiempo del impulso A (verde) y del impulso B (naranja). El campo eléctrico del impulso B transmitido después de la excitación por el impulso A se muestra como una línea discontinua (tiempo de retardo entre los impulsos A y B t = 7000 fs). c) Índice de refracción del agua sin excitación de THz (líneas sólidas) y después de la generación de electrones (símbolos, concentración de electrones 5×10-6 moles/litro). Las curvas negras representan la parte real del índice de refracción, las curvas rojas la parte imaginaria que es proporcional a la fuerza de absorción de THz del chorro de agua. Tanto la parte real como la imaginaria del índice de refracción se reducen significativamente por la generación de electrones.
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La molécula de agua H2O muestra un momento de dipolo eléctrico debido a las diferentes densidades de electrones en los átomos de oxígeno (O) e hidrógeno (H) (Fig. 1a). Tales dipolos moleculares generan un campo eléctrico en el agua líquida. La intensidad de este campo fluctúa en una escala de tiempo de femtosegundos (1 femtosegundo = 10-15 segundos = una milmillonésima de una millonésima de segundo) y, durante cortos períodos, alcanza valores máximos de hasta 300 MV/cm (300 millones de voltios por cm, Fig. 1b). En un campo tan elevado, un electrón puede dejar su estado límite, un orbital molecular (Fig. 1b) y hacer un túnel a través de una barrera de energía potencial hacia el líquido vecino. Este evento representa un proceso de ionización mecánica cuántica. En equilibrio, el electrón regresa muy rápidamente a su estado inicial ya que el campo eléctrico fluctuante no tiene una dirección espacial preferente y, por lo tanto, el electrón no se aleja del lugar de ionización. Debido a la recombinación de carga altamente eficiente, el número de electrones no ligados (libres) sigue siendo extremadamente pequeño, en promedio menos de una mil millonésima parte del número de moléculas de agua.
Los investigadores del Max-Born-Institut de Berlín han demostrado ahora que un campo eléctrico externo con frecuencias en el rango de 1 terahercio (1 THz = 1012 Hz, aproximadamente 500 veces más alto que la frecuencia típica de un teléfono celular) aumenta el número de electrones libres hasta en un factor de 1000. El campo de THz tiene una intensidad máxima de 2 MV/cm, es decir, menos del 1% de la intensidad del campo fluctuante en el líquido. Sin embargo, el campo de THz tiene una dirección espacial preferente (Fig. 2). A lo largo de esta dirección, los electrones generados por el campo fluctuante se aceleran y alcanzan una energía cinética de aproximadamente 11 eV, el potencial de ionización de una molécula de agua. Este proceso de transporte suprime la recombinación de la carga en el lugar de ionización. Los electrones viajan a lo largo de una distancia de muchos nanómetros (1 nm = 10-9 m) antes de localizarse en un sitio diferente del líquido. Este último proceso causa fuertes cambios en la absorción y el índice de refracción del líquido (Fig. 2c) por lo que el comportamiento dinámico de los electrones puede seguirse con el método de la espectroscopia bidimensional de THz (Fig. 2a).
Estos sorprendentes resultados revelan un nuevo aspecto de los campos eléctricos extremadamente fuertes en el agua líquida, la aparición de eventos espontáneos de ionización en túnel. Tales eventos podrían jugar un papel importante en la auto-disociación de las moléculas de H2O en iones OH-- y H3O+. Además, los experimentos establecen un novedoso método para la generación, transporte y localización de cargas en líquidos con la ayuda de fuertes campos de THz. Esto permite manipular las propiedades eléctricas básicas de los líquidos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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