Por primera vez, los científicos captan un "tirón cuántico" entre moléculas de agua vecinas
El trabajo arroja luz sobre el entramado de enlaces de hidrógeno que confiere al agua sus extrañas propiedades, que desempeñan un papel vital en muchos procesos químicos y biológicos
El agua es el líquido más abundante pero menos conocido de la naturaleza. Presenta muchos comportamientos extraños que los científicos aún se esfuerzan por explicar. Mientras que la mayoría de los líquidos se vuelven más densos a medida que se enfrían, el agua es más densa a 39 grados Fahrenheit, justo por encima de su punto de congelación. Por eso el hielo flota en la parte superior de un vaso y los lagos se congelan desde la superficie hacia abajo, lo que permite a la vida marina sobrevivir a los inviernos fríos. El agua también tiene una tensión superficial inusualmente alta, lo que permite a los insectos caminar por su superficie, y una gran capacidad para almacenar calor, lo que mantiene estable la temperatura de los océanos.
Los investigadores han realizado la primera observación directa del movimiento atómico en las moléculas de agua líquida que han sido excitadas con luz láser. Sus resultados revelan efectos que podrían sustentar el origen microscópico de las extrañas propiedades del agua.
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Ahora, un equipo formado por investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford y la Universidad de Estocolmo (Suecia) ha observado por primera vez cómo los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua tiran y empujan a las moléculas de agua vecinas cuando se excitan con luz láser. Sus resultados, publicados en Nature, revelan efectos que podrían apuntalar aspectos clave del origen microscópico de las extrañas propiedades del agua y podrían conducir a una mejor comprensión de cómo el agua ayuda al funcionamiento de las proteínas en los organismos vivos.
"Aunque este efecto cuántico nuclear se ha considerado como la base de muchas de las extrañas propiedades del agua, este experimento es la primera vez que se observa directamente", afirma Anders Nilsson, colaborador del estudio y profesor de física química de la Universidad de Estocolmo. "La cuestión es si este efecto cuántico podría ser el eslabón perdido en los modelos teóricos que describen las propiedades anómalas del agua".
Cada molécula de agua contiene un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, y una red de enlaces de hidrógeno entre los átomos de hidrógeno con carga positiva de una molécula y los átomos de oxígeno con carga negativa de las moléculas vecinas las mantiene unidas. Esta intrincada red es la fuerza motriz de muchas de las inexplicables propiedades del agua, pero hasta hace poco los investigadores no podían observar directamente cómo interactúa una molécula de agua con sus vecinas.
"La baja masa de los átomos de hidrógeno acentúa su comportamiento cuántico ondulatorio", afirma la colaboradora Kelly Gaffney, científica del Instituto de Pulso de Stanford en el SLAC. "Este estudio es el primero en demostrar directamente que la respuesta de la red de enlaces de hidrógeno a un impulso de energía depende críticamente de la naturaleza mecánica cuántica de cómo están espaciados los átomos de hidrógeno, lo que se ha sugerido desde hace tiempo como responsable de los atributos únicos del agua y su red de enlaces de hidrógeno."
Amar al prójimo
Hasta ahora, hacer esta observación era un reto porque los movimientos de los enlaces de hidrógeno son muy pequeños y rápidos. Este experimento superó ese problema utilizando el MeV-UED del SLAC, una "cámara de electrones" de alta velocidad que detecta los sutiles movimientos moleculares mediante la dispersión de un potente haz de electrones en las muestras.
El equipo de investigación creó chorros de agua líquida de 100 nanómetros de grosor -unas 1.000 veces más finos que el ancho de un cabello humano- y puso a vibrar las moléculas de agua con luz láser infrarroja. A continuación, lanzaron a las moléculas pulsos cortos de electrones de alta energía procedentes del MeV-UED.
Esto generó instantáneas de alta resolución de la estructura atómica cambiante de las moléculas que encadenaron en una película en stop-motion de cómo la red de moléculas de agua respondía a la luz.
Las instantáneas, que se centraron en grupos de tres moléculas de agua, revelaron que cuando una molécula de agua excitada empieza a vibrar, su átomo de hidrógeno atrae a los átomos de oxígeno de las moléculas de agua vecinas antes de alejarlos con su nueva fuerza, ampliando el espacio entre las moléculas.
"Durante mucho tiempo, los investigadores han intentado comprender la red de enlaces de hidrógeno mediante técnicas de espectroscopia", explica Jie Yang, antiguo científico del SLAC y actual profesor de la Universidad de Tsinghua (China), que dirigió el estudio. "La belleza de este experimento es que por primera vez hemos podido observar directamente cómo se mueven estas moléculas".
Una ventana al agua
Los investigadores esperan utilizar este método para conocer mejor la naturaleza cuántica de los enlaces de hidrógeno y el papel que desempeñan en las extrañas propiedades del agua, así como el papel clave que desempeñan estas propiedades en muchos procesos químicos y biológicos.
"Esto ha abierto una nueva ventana para el estudio del agua", afirma Xijie Wang, científico distinguido del SLAC y colaborador del estudio. "Ahora que por fin podemos ver cómo se mueven los enlaces de hidrógeno, nos gustaría conectar esos movimientos con el panorama más amplio, lo que podría arrojar luz sobre cómo el agua condujo al origen y la supervivencia de la vida en la Tierra e informar sobre el desarrollo de métodos de energía renovable".
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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