Experimentos revelan que el agua puede "hablar" con los electrones del grafeno
Los resultados podrían conducir a aplicaciones en los procesos de purificación y desalinización del agua e incluso a ordenadores basados en líquidos.
El agua y el carbono forman una pareja cuántica: el flujo de agua sobre una superficie de carbono se rige por un fenómeno inusual bautizado como fricción cuántica. Un trabajo publicado en "Nature Nanotechnology" demuestra experimentalmente este fenómeno -previsto en un estudio teórico previo- en la interfaz entre el agua líquida y el grafeno, una única capa de átomos de carbono. Para realizar este estudio se utilizaron técnicas ultrarrápidas avanzadas. Estos resultados podrían dar lugar a aplicaciones en procesos de purificación y desalinización del agua e incluso a ordenadores basados en líquidos.
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Durante los últimos 20 años, a los científicos les ha intrigado cómo se comporta el agua cerca de las superficies de carbono. Puede fluir mucho más deprisa de lo esperado según las teorías convencionales del flujo o formar disposiciones extrañas, como el hielo cuadrado. Ahora, un equipo internacional de investigadores del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros de Maguncia (Alemania), el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2, España) y la Universidad de Manchester (Inglaterra), informa en un estudio publicado en Nature Nanotechnology de que el agua puede interactuar directamente con los electrones del carbono: un fenómeno cuántico muy poco habitual en la dinámica de fluidos.
Un líquido, como el agua, está formado por pequeñas moléculas que se mueven al azar y chocan constantemente entre sí. Un sólido, en cambio, está formado por átomos ordenados que se bañan en una nube de electrones. Se supone que los mundos sólido y líquido sólo interactúan mediante colisiones de las moléculas líquidas con los átomos del sólido: las moléculas líquidas no "ven" los electrones del sólido. Sin embargo, hace poco más de un año, un estudio teórico que cambió el paradigma propuso que en la interfase agua-carbono, las moléculas del líquido y los electrones del sólido se empujan y tiran unos de otros, ralentizando el flujo del líquido: este nuevo efecto se denominó fricción cuántica. Sin embargo, la propuesta teórica carecía de verificación experimental.
"Ahora hemos utilizado láseres para ver cómo funciona la fricción cuántica", explica el autor principal del estudio, el Dr. Nikita Kavokine, investigador del Instituto Max Planck de Maguncia y del Flatiron Institute de Nueva York. El equipo estudió una muestra de grafeno, una monocapa de átomos de carbono dispuestos en forma de panal. Utilizaron pulsos ultracortos de láser rojo (con una duración de sólo una millonésima de milmillonésima de segundo) para calentar instantáneamente la nube de electrones del grafeno. A continuación, controlaron su enfriamiento con pulsos láser de terahercios, sensibles a la temperatura de los electrones del grafeno. Esta técnica se denomina espectroscopia de bomba óptica y sonda de terahercios (OPTP).
Para su sorpresa, la nube de electrones se enfrió más rápido cuando el grafeno se sumergió en agua, mientras que la inmersión del grafeno en etanol no supuso ninguna diferencia en la velocidad de enfriamiento. "Esto era un indicio más de que el par agua-carbono es especial, pero aún teníamos que entender qué ocurría exactamente", afirma Kavokine. Una posible explicación era que los electrones calientes empujan y tiran de las moléculas de agua para liberar parte de su calor: en otras palabras, se enfrían por fricción cuántica. Los investigadores profundizaron en la teoría y, efectivamente: la fricción cuántica agua-grafeno podía explicar los datos experimentales.
"Es fascinante ver que la dinámica de portadores del grafeno sigue sorprendiéndonos con mecanismos inesperados, esta vez relacionados con interacciones sólido-líquido con moléculas que no son otras que la omnipresente agua", comenta el profesor Klaas-Jan Tielrooij, del ICN2 (España) y TU Eindhoven (Países Bajos). Lo que hace especial al agua en este caso es que sus vibraciones, denominadas hidrones, están en sincronía con las vibraciones de los electrones del grafeno, denominadas plasmones, de modo que la transferencia de calor grafeno-agua aumenta gracias a un efecto conocido como resonancia".
Los experimentos confirman así el mecanismo básico de la fricción cuántica sólido-líquido. Esto tendrá implicaciones para los procesos de filtración y desalinización, en los que la fricción cuántica podría utilizarse para ajustar las propiedades de permeación de las membranas nanoporosas. "Nuestros descubrimientos no sólo son interesantes para los físicos, sino que también tienen implicaciones potenciales para la electrocatálisis y la fotocatálisis en la interfaz sólido-líquido", afirma Xiaoqing Yu, estudiante de doctorado del Instituto Max Planck de Maguncia y primera autora del trabajo.
El descubrimiento se debe a la combinación de un sistema experimental, una herramienta de medición y un marco teórico que rara vez van de la mano. Ahora el reto es controlar la interacción agua-electrón. "Nuestro sueño es activar y desactivar la fricción cuántica a voluntad", afirma Kavokine. "De esta forma, podríamos diseñar procesos de filtración de agua más inteligentes, o quizá incluso ordenadores basados en fluidos".
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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