Un equipo de TU Wien ahora tiene la prueba detrás de las especulaciones de que las moléculas de agua pueden formar estructuras complejas en forma de puente cuando se acumulan en superficies minerales.

El agua es un líquido extremadamente complejo. La forma en que las moléculas de agua separadas se acumulan en varios materiales tiene un impacto crucial en muchos procesos, incluyendo la corrosión y la intemperie, y es clave para garantizar que los catalizadores funcionen de manera óptima. Un equipo con sede en TU Wien ha logrado descubrir el misterio detrás de la estructura de las moléculas de agua en las superficies de óxido de hierro. y su trabajo ha revelado que las moléculas de agua pueden formar estructuras complejas que recuerdan a los puentes, que juegan un papel importante cuando se trata de reacciones químicas en la superficie.

Las propiedades especiales del agua

"Lo que hace que las moléculas de agua sean únicas es que pueden formar puentes de hidrógeno, "explica el profesor Gareth Parkinson del Instituto de Física Aplicada de TU Wien." La distribución de la carga eléctrica no es uniforme. El átomo de oxígeno tiene una carga ligeramente negativa, mientras que los átomos de hidrógeno tienen una carga levemente positiva ". Como resultado, se pueden formar enlaces entre moléculas de agua (los famosos puentes de hidrógeno) o incluso entre una molécula de agua y otros tipos de moléculas.

Las repercusiones de esto son amplias. Por ejemplo, Los puentes de hidrógeno son la razón por la que el agua necesita alcanzar la temperatura alta de 100 ° C antes de que hierva. También son un factor clave en la estructura de las proteínas.

Estos vínculos incluso entran en juego una y otra vez para afirmaciones completamente acientíficas, ya que las personas afirman que permiten que se almacene "información" misteriosa en el agua. Esto es físicamente imposible porque los puentes de hidrógeno no son muy fuertes y se rompen nuevamente en una fracción de segundo en agua líquida. Sin embargo, puedes ver resultados muy diferentes cuando las moléculas de agua se acumulan en las superficies, donde increíblemente complejo, Se forman estructuras estables a bajas temperaturas.

Los reinos de la posibilidad

"Ya había indicios indirectos de la formación de este tipo de estructura, ", dice Ulrike Diebold (TU Wien)." Pero para hacer realmente visible la estructura del agua en las superficies de óxido de hierro, tuvimos que optimizar aún más las mejores técnicas de medición de vanguardia y realmente ampliar los límites de lo que es posible ".

Para empezar, un chorro de moléculas de agua se lanza a la superficie al vacío a baja temperatura. Luego, la superficie se calienta suavemente hasta una temperatura de alrededor de -30 ° C, provocando que las estructuras de agua se rompan gradualmente. Las moléculas de agua se desprenden de la superficie una a una y son recogidas por un detector. "Podemos medir exactamente cuántas moléculas de agua salen de la superficie a una temperatura particular. Luego podemos tomar esta información para calcular la energía de enlace, lo que a su vez nos permite identificar el tipo de estructuras moleculares con las que estamos tratando, "explicó Gareth Parkinson.

Al mismo tiempo, un especial a prueba de vibraciones, Se utilizó un microscopio de alto rendimiento para producir imágenes de alta resolución de la superficie, para que las estructuras de agua pudieran verse realmente. Además de esto, Se desarrollaron sofisticadas simulaciones por computadora como una forma de explicar el posicionamiento geométrico de las moléculas de agua a nivel cuántico. "Finalmente tenemos tres herramientas a nuestra disposición que nos permiten estudiar las estructuras del agua, y eso es lo que necesita si desea obtener resultados confiables, ", dice Gareth Parkinson." Los tres análisis coinciden perfectamente, dejándonos concluir con gran confianza que ahora entendemos la formación de estructuras de agua en superficies de óxido de hierro ".

La evidencia muestra que se forman varias estructuras:es raro que una sola molécula de agua se asiente solo en la superficie, en cambio, las moléculas de agua tienden a reunirse en pares o grupos de tres. Entonces tienes estructuras más complejas que constan de seis u ocho moléculas, que atraviesan la superficie del óxido de hierro como puentes curvados elípticamente.

"Nuestro objetivo principal era desarrollar los métodos analíticos hasta el punto de que pudiéramos obtener pruebas irrefutables de estas estructuras moleculares. Y eso es lo que hicimos, ", dice Ulrike Diebold." El método que usamos aquí para el óxido de hierro también se puede aplicar a otros materiales ".