El paso perdido en el calentamiento del agua: Primero doblar y luego girar

Nuevos conocimientos sobre cómo y con qué rapidez la energía almacenada en una molécula de agua doblada se disipa en calor

11.12.2020 - Alemania

El agua en la Tierra hace nuestro planeta habitable. Absorbe la energía del Sol y la libera en forma de calor. Una colaboración internacional de investigación encabezada por el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros (MPI-P) ha demostrado ahora cómo y con qué rapidez la energía almacenada en las moléculas de agua se libera al calor depende fuertemente de la energía de la radiación. Los científicos descubrieron que la energía de una molécula de agua doblada puede ser liberada rápidamente haciendo que la molécula de agua rote. Esta molécula en rotación puede entonces transferir su energía a las moléculas de agua circundantes y calentar el agua.

Las moléculas de agua, como cualquier otro tipo de molécula, pueden "bailar". Si pudiéramos mirarlas con una lupa de muy alta potencia, las veríamos menearse y sacudirse: pueden moverse, rotar y vibrar inclinando y expandiendo sus diferentes enlaces. Tal movimiento puede ser desencadenado por la absorción de radiación a energías específicas. Dado que cada molécula de agua está fuertemente conectada a sus vecinas a través de la llamada red de enlaces de hidrógeno, una molécula de agua puede interactuar con sus vecinas, y ellas "bailan" juntas como en un "baile de grupo".

Cuando la luz brilla sobre el agua - por ejemplo, la luz infrarroja emitida por el Sol - cada molécula de agua absorbe la energía individualmente y la almacena doblando o estirando sus enlaces químicos. Esto significa que los átomos O y H de la molécula de agua pueden moverse en relación a los demás. Sin embargo, esto no es suficiente para aumentar la temperatura del agua. Sólo cuando la energía se transfiere de tal manera que acelera las traslaciones y rotaciones de todas las moléculas de agua, el agua se calienta.

Muchos estudios han contribuido a comprender los posibles caminos detrás de la disipación de energía de una molécula de agua estirada en calor. Sin embargo, cómo se convierte en calor la energía de una molécula de agua doblada no ha estado claro durante mucho tiempo. La comprensión de esta pieza del rompecabezas es interesante en sí misma y representa un paso intermedio en la disipación de la energía después de la absorción de la radiación con mayor energía.

Investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros (MPI-P), la Universidad de Tokio, la Universidad de Osaka y la Universidad Nacional de Chiao Tung han descubierto que la energía de una molécula de agua curvada puede liberarse fácilmente en un movimiento de rotación. Para entender el mecanismo subyacente, el grupo del Dr. Yuki Nagata, en el departamento del Prof. Dr. Mischa Bonn en el MPI-P, junto con colaboradores internacionales, ha examinado dicha transferencia de energía en el agua utilizando técnicas avanzadas de simulaciones experimentales espectroscópicas y de dinámica molecular. Han encontrado que, aunque las moléculas de agua están fuertemente conectadas, la energía de un movimiento de flexión de una molécula de agua no puede ser utilizada para doblar una molécula de agua vecina. Sin embargo, esta energía, después de ser rápidamente liberada en una rotación de esa misma molécula, puede entonces propagarse a las moléculas de agua vecinas. Esta liberación de la energía almacenada en un movimiento de rotación puede ocurrir tan eficientemente en el agua líquida debido a la presencia de la red de unión de hidrógeno que permite al agua realizar una "danza de grupo" e involucrar fácilmente a sus vecinos en ella. Los resultados han sido publicados en la revista "Nature Communications".

"El Sol emite radiación en un rango espectral muy amplio que abarca el espectro UV, visible e infrarrojo. No toda esta radiación llega a la Tierra porque es absorbida por el vapor de agua y otros gases -como el oxígeno (O2) y el dióxido de carbono (_CO2)- presentes en la atmósfera. Una vez que la radiación llega a la superficie de nuestro planeta, es absorbida aún más por los cuerpos de agua. El agua, por lo tanto, afecta directamente al clima y contribuye a hacer nuestro planeta habitable. El agua absorbe energía que luego se convierte en calor. La eficiencia de esta disipación de energía en calor es muy importante y depende de la rapidez con la que la energía absorbida por una molécula de agua puede ser distribuida a otras moléculas de agua", explica el Dr. Yuki Nagata, que dirigió el estudio en colaboración. Y añade: "Dado que la energía en el movimiento de flexión de las moléculas de agua es relativamente baja, la disipación de la radiación absorbida con mayor energía siempre implica este paso y nuestro estudio revela la pieza que falta en el mecanismo de disipación de energía del agua. La comprensión fundamental de la transferencia de energía vibratoria del agua puede ayudar a modelar mejor los procesos químicos y físicos en el agua líquida".

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Publicación original

Chun-Chieh Yu, Kuo-Yang Chiang, Masanari Okuno, Takakazu Seki, Tatsuhiko Ohto, Xiaoqing Yu, Vitaly Korepanov, Hiro-o Hamaguchi, Mischa Bonn, Johannes Hunger, and Yuki Nagata; "Vibrational couplings and energy transfer pathways of water's bending mode"; Nature Communications 11 (1), 5977 (2020).

https://www.quimica.es/noticias/1169089/el-paso-perdido-en-el-calentamiento-del-agua-primero-doblar-y-luego-girar.html