Las extrañas propiedades del agua, explicadas al observar, por primera vez, un ‘tirón cuántico’
Un estudio arroja luz sobre la red de enlaces de hidrógeno que le da al agua sus extrañas propiedades, que juegan un papel vital en muchos procesos químicos y biológicos.
Aunque pueda parecer el líquido más simple que existe, el agua, en realidad, es una ‘rara avis’ con extraños comportamientos que los científicos aún no entienden. Por ejemplo, al contrario que la mayoría de los líquidos, que se vuelven más densos a medida que se enfrían, el agua es más densa a 39 grados Fahrenheit, justo por encima de su punto de congelación. Esta es la razón por la que el hielo flota o que los lagos se congelen en su superficie, pero se mantengan líquidos en las profundidades, manteniendo la fauna marina resguardada de los fríos inviernos. También muestra una tensión superficial inusualmente alta, lo que permite que los insectos ‘caminen sobre las aguas’. Y no acaba ahí: su gran capacidad para almacenar calor sirve como ‘termostato regulador’ de las temperaturas del océano.
Ahora, un equipo que incluye a investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford y la Universidad de Estocolmo en Suecia ha realizado la primera observación directa de cómo los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua ‘tiran y empujan’ de las moléculas vecinas cuando se excitan con la luz láser. Sus resultados, publicados en la revista ‘Nature’, revelan efectos que podrían respaldar aspectos clave del origen microscópico de las extrañas propiedades del agua, y podrían conducir a una mejor comprensión de cómo el agua ayuda a las proteínas a funcionar en los organismos vivos.
«Aunque se ha planteado la hipótesis de que este llamado ‘efecto cuántico nuclear‘ está en el corazón de muchas de las extrañas propiedades del agua, este experimento marca la primera vez que se observa directamente», explica Anders Nilsson, profesor de física química en la Universidad de Estocolmo y uno de los autores. «La pregunta es si este efecto cuántico podría ser el eslabón perdido en los modelos teóricos que describen las propiedades anómalas del agua». Es decir, si ese ‘efecto cuántico nuclear’ puede ser la clave de las extrañas características del agua.
Cada molécula de agua contiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Pero una red de enlaces entre átomos de hidrógeno cargados positivamente y átomos de oxígeno cargados negativamente los mantiene a todos juntos. Se conoce que esta intrincada red es la fuerza impulsora detrás de muchas de las propiedades inexplicables del agua pero, hasta hace poco, los investigadores no podían observar directamente cómo interactúa una molécula de agua con la de al lado.
«La baja masa de los átomos de hidrógeno acentúa su comportamiento de onda cuántica», afirma Kelly Gaffney, investigadora del Stanford Pulse Institute en SLAC y otra de las autoras. «Este estudio es el primero en demostrar directamente que la respuesta de la red de enlaces de hidrógeno a un impulso de energía depende críticamente de la naturaleza mecánica cuántica de cómo se espacian los átomos de hidrógeno, que durante mucho tiempo se ha sugerido que es responsable de los atributos únicos de agua y su red de enlaces de hidrógeno».
Ama a tu prójimo
Hasta ahora, hacer esta observación ha sido un desafío porque los movimientos de los enlaces de hidrógeno son muy pequeños y rápidos. Este experimento superó ese problema utilizando MeV-UED de SLAC, una ‘cámara de electrones’ de alta velocidad que detecta movimientos moleculares sutiles al dispersar un poderoso haz de electrones de las muestras.
El equipo de investigación creó chorros de agua líquida de 100 nanómetros de espesor, unas 1.000 veces más delgados que el ancho de un cabello humano, y puso a las moléculas de agua a vibrar con luz láser infrarroja. Luego explotaron las moléculas con pulsos cortos de electrones de alta energía de MeV-UED.
Esto generó instantáneas de alta resolución de la estructura atómica cambiante de las moléculas que unieron en una película en ‘stop-motion’ -captando el movimiento a través de una sucesión de imágenes estáticas- de cómo la red de moléculas de agua respondía a la luz. Las instantáneas, que se centraron en grupos de tres moléculas de agua, revelaron que cuando una molécula de agua excitada comienza a vibrar, su átomo de hidrógeno tira de los átomos de oxígeno de las moléculas de agua vecinas más cerca antes de alejarlos con su nueva fuerza, expandiendo el espacio entre las moléculas.
«Durante mucho tiempo, los investigadores han intentado comprender la red de enlaces de hidrógeno utilizando técnicas de espectroscopia», señala Jie Yang, ex científico de SLAC y ahora profesor en la Universidad de Tsinghua en China, quien dirigió el estudio. «La belleza de este experimento es que por primera vez pudimos observar directamente cómo se mueven estas moléculas».
Una ventana sobre el agua
Los investigadores esperan utilizar este método para obtener más información sobre la naturaleza cuántica de los enlaces de hidrógeno y el papel que desempeñan en las extrañas propiedades del agua, así como el papel clave que juegan estas propiedades en muchos procesos químicos y biológicos.
«Esto realmente ha abierto una nueva ventana para estudiar el agua», indica Xijie Wang, colaborador del estudio e investigador del SLAC. «Ahora que finalmente podemos ver el movimiento de los enlaces de hidrógeno, nos gustaría conectar esos movimientos con una imagen más amplia, lo que podría arrojar luz sobre cómo el agua condujo al origen y supervivencia de la vida en la Tierra e informar el desarrollo de métodos de energía renovable».
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