Cómo esconde el agua su secreto cuántico
Los investigadores demuestran experimentalmente por qué el agua y el agua pesada se comportan de forma similar
Casi tres cuartas partes de la Tierra están cubiertas de agua. El agua es el líquido más abundante, pero también el más extraño: por ejemplo, tiene su densidad máxima a 4 °C. Investigadores del entorno de Yuki Nagata y Mischa Bonn, del MPI de Investigación de Polímeros, han estudiado ahora en el laboratorio el agua normal -H2O-y el agua pesada -D2O-y han descubierto por qué ambos elementos se comportan de forma similar, a pesar de que los átomos de deuterio (D) pesan el doble que los de hidrógeno (H). Sus investigaciones pueden explicar, por ejemplo, por qué los puntos de congelación de los dos tipos de agua están más próximos entre sí de lo que cabría esperar en un principio.
Más del 70% de la Tierra está cubierta de agua, H2O. Una proporción casi despreciable de unos pocos por mil consiste en "agua pesada", en la que los átomos de hidrógeno (H) se sustituyen por átomos de deuterio (D). El deuterio tiene un neutrón más en su núcleo que el hidrógeno y pesa aproximadamente el doble.
Por tanto, cabría esperar que el agua pesada, en la que dos átomos el doble de pesados están unidos al átomo de oxígeno, difiriera significativamente en sus propiedades del agua normal. Sin embargo, las temperaturas de congelación de ambos tipos de agua sólo difieren en 4 °C. Los investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros, en torno al director Mischa Bonn, han podido demostrar por primera vez que dos efectos mecánicos cuánticos especiales -los llamados efectos cuánticos nucleares (ECN)-, que se compensan entre sí, son los responsables de ello.
La mecánica cuántica dicta que los átomos siguen moviéndose incluso en el cero absoluto, es decir, a -273 °C: Oscilan" o "tiemblan" ligeramente alrededor de una posición central. Es lo que se denomina "energía de punto cero". Por tanto, los átomos de hidrógeno del agua normal no se encuentran a una distancia fija y definida del átomo de oxígeno, sino en una cierta "nube" que se extiende alrededor de una distancia media. Como el hidrógeno es un átomo de masa tan baja, estas nubes de hidrógeno son grandes, las NQE son pronunciadas y la vibración tiene una gran amplitud.
Si se sustituye el hidrógeno por el deuterio, más pesado, los átomos vibran menos. La distancia media se reduce, lo que significa que el átomo de deuterio se acerca más al átomo de oxígeno. Como resultado de este efecto intramolecular, se reduce la expansión espacial de una molécula de agua. Simultáneamente, la distancia a la siguiente molécula de agua aumenta, lo que reduce la energía de enlace.
La energía de enlace es una medida de la facilidad con la que dos moléculas de agua pueden separarse, por ejemplo, durante la transición del hielo al agua líquida.
Al mismo tiempo, sin embargo, el átomo de deuterio puede oscilar no sólo en la dirección de la línea de enlace con el átomo de oxígeno, sino también perpendicular a ella. Al intercambiar hidrógeno por deuterio, este efecto llamado intermolecular contrarresta el efecto intramolecular: mientras uno reduce la energía de enlace, el otro la aumenta en una medida comparable.
Las temperaturas de congelación difieren sólo ligeramente porque los dos efectos mecánicos cuánticos tienen efectos opuestos sobre la energía de enlace y se compensan aproximadamente entre sí.
Para medir estos sutiles efectos, los investigadores utilizaron una técnica llamada espectroscopia de generación de suma de frecuencias con detección heterodina (HD-SFG). Este método les permitió estudiar la capa superior de agua en una interfase aire-agua, donde las moléculas de agua existen con un extremo "libre" que no está unido a otras moléculas de agua. Analizando minuciosamente los espectros vibracionales del agua con distintas proporciones de hidrógeno y deuterio, los científicos pudieron deducir y cuantificar los componentes individuales de energía inter e intramolecular.
El trabajo, publicado ahora en la revista Science Advances, aporta la primera prueba experimental de la competencia y la cancelación casi completa entre los efectos cuánticos intramoleculares e intermoleculares en el agua, que durante mucho tiempo sólo se había predicho teóricamente. Pone de relieve la importancia de tener en cuenta estos fenómenos cuánticos a la hora de comprender el comportamiento del agua. Esto tiene implicaciones para campos que van desde la investigación climática a la bioquímica, donde las propiedades del agua desempeñan un papel crucial. Además, el innovador planteamiento del equipo abre nuevas vías para estudiar los efectos cuánticos en otros sistemas complejos.
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