Lo que sabemos sobre el agua puede haber cambiado drásticamente

Una nueva investigación apunta a un impacto potencialmente fuerte de la purificación del agua a la fabricación de medicamentos

08.06.2021 - Estados Unidos

El agua es extraña y, sin embargo, muy importante. De hecho, es una de las moléculas más inusuales de la Tierra. Hierve a una temperatura que no debería. Se expande y flota cuando está en estado sólido. Su tensión superficial es más alta de lo que debería. Ahora, una nueva investigación publicada en la revista Nature ha añadido otra propiedad igualmente extraña a la lista de rarezas del agua. Las implicaciones de esta nueva revelación podrían tener un impacto notable en todos los procesos relacionados con el agua, desde la purificación del agua hasta la fabricación de medicamentos.

Stephen Cronin, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC, y Alexander Benderskii, profesor asociado de química de la Facultad de Letras, Artes y Ciencias Dornsife de la USC, han demostrado que cuando el agua entra en contacto con la superficie de un electrodo no todas sus moléculas responden de la misma manera. Esto puede afectar drásticamente a la capacidad de disolución de diversas sustancias en el agua sometida a un campo eléctrico, lo que a su vez puede determinar cómo se producirá una reacción química. Y las reacciones químicas son un componente necesario en la fabricación de... todo.

Resulta apropiado que este trabajo innovador proceda de una investigación interdisciplinar entre un químico y un ingeniero eléctrico. Al fin y al cabo, la química es fundamentalmente un estudio de los electrones, y las reacciones químicas son las que hacen los materiales sobre los que se construye nuestro mundo moderno. Cada investigador aportó un componente importante al trabajo. En este caso, un electrodo innovador del ingeniero Cronin y una técnica avanzada de espectroscopia láser del químico Benderskii. En última instancia, fue la combinación de estos dos diseños la que condujo al avance observado.

En primer lugar, Cronin diseñó un electrodo único construido a partir de una monocapa de grafeno (de sólo 0,355 nm de grosor). La construcción de electrodos de grafeno es, en sí misma, un proceso muy complejo. De hecho, el electrodo necesario para esta investigación en particular es uno que grupos de investigación de todo el mundo han intentado hacer en el pasado y han fracasado. "Alex y yo estuvimos luchando durante un tiempo para conseguirlo y tuvimos que cambiar nuestro diseño muchas veces. Es gratificante y emocionante ver por fin los resultados de nuestro trabajo", dijo Cronin.

Una vez que el electrodo se coloca en una celda de agua y empieza a hacer correr una corriente, entra en juego la técnica de Benderskii. Utiliza un método especial de espectroscopia láser que sólo unos pocos grupos de investigación han sido capaces de reproducir. "Utilizando nuestro método para observar las moléculas de agua por primera vez en las condiciones de nuestros experimentos, pudimos ver cómo las moléculas interactuaban con el campo de una manera que nadie había entendido antes", dijo Benderskii.

Lo que ambos descubrieron fue que la capa superior de moléculas de agua más cercana al electrodo se alinea de una manera completamente diferente al resto de las moléculas de agua. Esta constatación fue inesperada. Pero puede abrir el camino para realizar simulaciones más precisas de cómo las reacciones químicas acuosas en diversos campos afectan a los materiales con los que trabajan. Un área concreta en la que esta investigación podría tener un impacto inmediato es el suministro de agua limpia. "El agua en contacto con el grafeno se está proponiendo, de hecho, como una nueva tecnología de desalinización", dijo Cronin. "Nuestra investigación podría ayudar a los científicos a diseñar mejores simulaciones que, en última instancia, lleven a la gente agua limpia desalada de forma más rápida, barata y limpia".

Benderskii y Cronin no tienen previsto poner fin a su larga colaboración en materia de investigación a corto plazo. Ahora que han identificado esta nueva calidad del agua, piensan profundizar en ella. "Nuestra investigación publicada trata de cómo el agua responde colectivamente a una corriente. A continuación, tratamos de entender cómo funciona esta respuesta a nivel molecular individual", afirma Benderskii.

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