Se trazan por primera vez las superficies de energía potencial del agua
Una mejor comprensión de la química del agua
Los líquidos son más difíciles de describir que los gases o los sólidos cristalinos. Un equipo de la HZB ha cartografiado por primera vez las superficies de energía potencial de las moléculas de agua en el agua líquida en condiciones ambientales en la Swiss Light Source SLS del Instituto Paul Scherrer (Suiza). Esto contribuye a una mejor comprensión de la química del agua y en soluciones acuosas. Estas investigaciones podrán continuar pronto en la recién construida estación METRIXS de la fuente de rayos X BESSY II.
Imagen simbólica
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El agua es sin duda el líquido más conocido del mundo. El agua desempeña un papel crucial en todos los procesos biológicos y en muchos procesos químicos. Las propias moléculas de agua apenas tienen secretos. Ya en la escuela aprendemos que el agua está formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Incluso conocemos el típico ángulo obtuso que forman entre sí los dos catetos O-H. Además, sabemos cuándo el agua hierve o se congela y cómo estas transiciones de fase están relacionadas con la presión. Pero entre los datos sobre las moléculas individuales y una comprensión más profunda de los fenómenos macroscópicos, hay una amplia zona de incertidumbre: Sólo se conoce información estadística sobre el comportamiento de las moléculas individuales en el agua líquida normal: las moléculas de agua en la fase líquida forman una red fluctuante de enlaces de hidrógeno, desordenada y densa, y sus interacciones no se conocen en absoluto tan bien como en el estado gaseoso.
Examen del agua líquida pura
Ahora, un equipo dirigido por la Dra. Annette Pietzsch, física del HZB, ha examinado de cerca el agua líquida pura a temperatura ambiente y presión normal. Mediante el análisis de rayos X en la Fuente de Luz Suiza del Instituto Paul Scherrer y la elaboración de modelos estadísticos, los científicos han logrado trazar un mapa de las llamadas superficies de energía potencial de las moléculas individuales de agua en estado básico, que presentan una gran variedad de formas en función de su entorno.
Medición de oscilaciones y vibraciones
"La particularidad es el método: hemos estudiado las moléculas de agua en la línea de luz ADRESS mediante dispersión inelástica de rayos X resonante. En pocas palabras, hemos dado un empujón a las moléculas individuales con mucho cuidado y luego hemos medido cómo volvían al estado básico", dice Pietzsch. Las excitaciones de baja energía dieron lugar a oscilaciones de estiramiento y otras vibraciones que, combinadas con cálculos de modelos, produjeron una imagen detallada de las superficies potenciales.
"Esto nos proporciona un método para determinar experimentalmente la energía de una molécula en función de su estructura", explica Pietzsch. "Los resultados ayudan a esclarecer la química en el agua, por ejemplo para entender mejor cómo se comporta el agua como disolvente".
Perspectiva: METRIXS en BESSY II
Los próximos experimentos ya están planificados en la fuente de rayos X BESSY II de HZB. Allí, Annette Pietzsch y su equipo han instalado la estación de medición METRIXS, diseñada precisamente para investigar muestras líquidas con experimentos RIXS. "Tras la parada de verano por trabajos de mantenimiento en BESSY II, empezaremos con las primeras pruebas de nuestros instrumentos. Y luego podremos seguir adelante".
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.
Publicación original
Annette Pietzsch, Johannes Niskanen, Vinicius Vaz da Cruz, Robby Büchner, Sebastian Eckert, Mattis Fondell, Raphael M. Jay, Xingye Lu, Daniel McNally, Thorsten Schmitt, Alexander Föhlisch; Cuts through the manifold of molecular H2O potential energy surfaces in liquid water at ambient conditions; PNAS (2022)
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