Nuevos conocimientos espectroscópicos sobre los enlaces de hidrógeno
Resultados sorprendentes
Los enlaces de hidrógeno tienen un interés fundamental en la ciencia de los materiales, la física y la química. Un equipo internacional, que incluye a científicos de la Universidad de Bayreuth, ha logrado ahora sorprendentes conocimientos sobre la formación de enlaces de hidrógeno mediante un novedoso método que permite aplicar la espectroscopia de RMN en la investigación a alta presión. Los resultados de la investigación, publicados en Nature Communications, pueden ser un punto de partida para el diseño selectivo de materiales que contengan enlaces de hidrógeno simétricos y, por tanto, presenten propiedades extraordinarias y potencialmente interesantes desde el punto de vista tecnológico.
En la naturaleza, los enlaces de hidrógeno, una forma débil de enlace químico, son muy comunes. Tienen un efecto estabilizador en sistemas moleculares más grandes, por ejemplo, en la estructura del ADN como portador de material genético. Los enlaces de hidrógeno existen siempre que un átomo de hidrógeno media una interacción entre dos moléculas o dos secciones de una molécula muy grande. Las cargas electrostáticas del átomo de hidrógeno y de los dos átomos que forman las "cabezas de puente" opuestas son cruciales en este proceso. De gran interés científico son las estructuras en las que el átomo de hidrógeno se encuentra a medio camino entre estos átomos. Estos puentes de hidrógeno simétricos suelen ir acompañados de propiedades físicas extraordinarias, como la superconductividad o la superionicidad.
Hasta ahora, la investigación no había alcanzado una comprensión más profunda de las causas y modos de funcionamiento de los enlaces de hidrógeno y su simetrización. Sin embargo, una estrecha colaboración entre investigadores de la Universidad de Bayreuth, la Universidad de Linköping y el Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research de Pekín ha logrado ahora un avance decisivo: Por primera vez, se ha aplicado al análisis de los enlaces de hidrógeno un método desarrollado en el Instituto de Investigación Bávaro de Geoquímica y Geofísica Experimental (BGI) de la Universidad de Bayreuth, que expone muestras de material en celdas de yunque de diamante a presiones extremadamente altas y las hace accesibles simultáneamente a la investigación espectroscópica de RMN. Así, en los laboratorios del BGI se pudieron detectar enlaces de hidrógeno con una precisión hasta ahora no alcanzada en materiales muy diferentes: en las fases VII y X del hielo, en el silicato de magnesio de la fase D y en compuestos de oxihidruro de aluminio ferrosos y no ferrosos. En todos los casos, los átomos de oxígeno formaban las cabezas de puente. En particular, el nuevo método permitió identificar la posición espacial de los átomos de hidrógeno y aclarar las condiciones en las que se produce la simetrización de los enlaces de hidrógeno.
Los resultados sorprendieron a los investigadores: aunque los componentes químicos y las estructuras de los materiales estudiados son muy diferentes, el comportamiento de los enlaces de hidrógeno entre los átomos de oxígeno es muy similar. Los investigadores descubrieron que, bajo compresión, la simetrización se produce a una determinada distancia oxígeno-oxígeno. Es precisamente en esta distancia donde la presión hace que el átomo de hidrógeno se sitúe a medio camino entre los átomos de oxígeno. Además, los datos de RMN demostraron que la simetrización del enlace de hidrógeno no es un desencadenante de las transiciones de espín de los electrones, al contrario de lo que se ha supuesto a veces en la investigación.
"En nuestro estudio se ha demostrado que los enlaces de hidrógeno simétricos son un fenómeno físico por derecho propio. Se forman independientemente de las propiedades químicas y mecánicas cuánticas de su entorno y también son independientes de las características estructurales de sus alrededores", resume el Dr. Thomas Meier, autor principal del nuevo estudio. En el BGI de la Universidad de Bayreuth, desarrolló el nuevo método en colaboración con el Prof. Dr. Dr. h.c. Leonid Dubrovinsky y su equipo para aplicar la espectroscopia de RMN en la investigación a alta presión y alta temperatura. Desde 2022, el Dr. Meier trabaja en el Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research de Pekín.
"Ahora sabemos bastante más sobre los mecanismos físicos que subyacen a la simetrización de los enlaces de hidrógeno. Las aplicaciones de la espectroscopia de RMN en la investigación a alta presión permiten conocer nuevas regularidades únicas en la naturaleza de los materiales", afirma el profesor Leonid Dubrovinsky del BGI.
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