Una mirada microscópica a la química atmosférica
Un nuevo descubrimiento contradice los modelos de los libros de texto
Muchas reacciones importantes relacionadas con el clima y los procesos medioambientales tienen lugar donde las moléculas de agua entran en contacto con el aire. Por ejemplo, la evaporación del agua oceánica desempeña un papel importante en la química atmosférica y la climatología. Comprender estas reacciones es crucial para mitigar el efecto humano en nuestro planeta. Un equipo de investigadores ha descubierto que las moléculas de agua de la superficie del agua salada se organizan de forma distinta a lo que se pensaba.
La distribución de iones en la interfase del aire y el agua es relevante para muchos procesos atmosféricos. Sin embargo, hasta ahora se ha debatido intensamente la comprensión precisa de los procesos microscópicos. En un artículo publicado en la revista Nature Chemistry, investigadores del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros (Alemania) demuestran que los iones y las moléculas de agua de la superficie de la mayoría de las soluciones salinas y acuosas, conocidas como soluciones electrolíticas, se organizan de una forma completamente distinta a la tradicional. Esto podría conducir a mejores modelos de química atmosférica y otras aplicaciones.
Los investigadores se propusieron estudiar cómo las moléculas de agua se ven afectadas por la distribución de iones en el punto exacto donde se encuentran el aire y el agua. Tradicionalmente, esto se ha hecho con una técnica llamada generación vibracional de suma de frecuencias (VSFG). Con esta técnica, que utiliza radiación láser, es posible medir las vibraciones moleculares directamente en estas interfaces clave. Sin embargo, aunque estas mediciones pueden medir la intensidad de las señales, no miden si las señales son positivas o negativas, lo que ha dificultado la interpretación de los resultados en el pasado, ya que el signo de la señal refleja si el agua está orientada hacia arriba o hacia abajo en la superficie. Además, el uso exclusivo de datos experimentales puede dar resultados ambiguos.
El equipo superó estas dificultades utilizando una forma más sofisticada de VSFG denominada VSFG detectada heterodinámicamente (HD) para estudiar distintas soluciones electrolíticas. A continuación, desarrollaron modelos informáticos avanzados para simular las interfaces en distintos escenarios.
Los resultados combinados mostraron que tanto los iones con carga positiva, denominados cationes, como los iones con carga negativa, denominados aniones, se eliminan de la interfase agua/aire. Los cationes y aniones de los electrolitos simples orientan las moléculas de agua tanto hacia arriba como hacia abajo. Se trata de una inversión de los modelos de los libros de texto, que enseñan que los iones forman una doble capa eléctrica y orientan las moléculas de agua en una sola dirección.
En palabras del Dr. Yair Litman, coautor del estudio y becario de la DFG como químico teórico en el Departamento de Química Yusuf Hamied de la Universidad de Cambridge: "Nuestro trabajo demuestra que la superficie de las soluciones electrolíticas simples tiene una distribución de iones diferente de lo que se pensaba y que la subsuperficie enriquecida en iones determina cómo se organiza la interfase: al pasar del aire a la solución salina a granel, uno se encuentra primero con unas cuantas capas de agua pura, luego viene una capa enriquecida en iones, antes de llegar a la masa."
En palabras del Dr. Kuo-Yang Chiang, del Instituto Max Planck y coautor del estudio: "Este trabajo demuestra que combinar HD-VSFG de alto nivel con simulaciones es una herramienta inestimable que contribuirá a la comprensión a nivel molecular de las interfaces líquidas".
El profesor Mischa Bonn, que dirige el departamento de Espectroscopia Molecular del Instituto Max Planck, añade: "Este tipo de interfaces se dan en todas partes del planeta, por lo que estudiarlas no sólo ayuda a nuestra comprensión fundamental, sino que también puede conducir a mejores dispositivos y tecnologías. Estamos aplicando estos mismos métodos para estudiar las interfaces sólido/líquido, que podrían tener aplicaciones potenciales en baterías y almacenamiento de energía."
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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