Las reacciones químicas y los procesos físicos que involucran superficies de agua serán más fáciles de modelar gracias al descubrimiento por parte de un equipo de RIKEN de cómo las moléculas en las superficies del agua pierden energía.

El agua es anómala en muchos sentidos. Por ejemplo, tiene puntos de congelación y ebullición mucho más altos de lo que cabría esperar basándose en una comparación ingenua con otros hidruros. La mayoría de estas propiedades anómalas provienen de la fuerte atracción electrostática que un átomo de hidrógeno siente por un átomo de oxígeno en una molécula cercana. Esta fuerza de atracción da lugar a enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua vecinas.

Estos enlaces de hidrógeno forman una red 3D dentro de una masa de agua. Pero la capa de moléculas que se encuentra en la superficie del agua se diferencia de las otras moléculas en que forma enlaces de hidrógeno solo con las moléculas que se encuentran debajo de ella. Debido a que esta capa tiene solo una molécula de espesor, no se sabe mucho al respecto.

Ahora, Tahei Tahara del Laboratorio de Espectroscopía Molecular RIKEN y sus colaboradores han descubierto cómo estas moléculas de superficie pierden energía.

"Las interfaces del agua juegan un papel clave en muchos procesos químicos y físicos fundamentales, ", dice Tahara." Por lo tanto, comprender cómo el agua interfacial disipa la energía es crucial para comprender y controlar los fenómenos interfaciales a nivel molecular ".

Las moléculas de agua superficial tienen un grupo hidroxilo (OH) que sobresale en el aire, que está libre de la red de enlaces de hidrógeno. El equipo descubrió que las moléculas de agua de la superficie disipan energía principalmente al girar este enlace OH que sobresale (Fig. 1). Esto va en contra de la sabiduría convencional, es decir, que las moléculas de la superficie pierden energía solo al interactuar con moléculas vecinas.

"Este hallazgo va completamente en contra de la creencia existente de que la disipación de energía del OH libre procede con la transferencia de energía, "señala Tahara.

Este descubrimiento arrojará luz sobre la dinámica de algo más que superficies de agua. "Creemos que nuestro hallazgo proporciona una base para dilucidar completamente los procesos dinámicos, incluidas las reacciones químicas que ocurren en la interfaz del agua, "dice Tahara.

Para hacer su descubrimiento, el equipo utilizó una técnica espectroscópica que identifica las moléculas de la superficie y analiza cómo cambian con el tiempo. Fue una medida desafiante de hacer. "Este fue un experimento difícil y delicado de realizar, ", dice Tahara." Tuvimos que detectar cambios de femtosegundos en la débil señal generada a partir de una sola capa de agua en la interfaz aire-agua mientras se controlaba la fase de los pulsos láser de femtosegundos ".

A continuación, el equipo tiene la intención de investigar cómo los grupos OH unidos a hidrógeno del agua interfacial transfieren energía. "Esto nos dará una visión coherente y consistente de los procesos de transferencia de energía en las interfaces del agua, "dice Tahara.