Un equipo internacional de científicos dirigido por la profesora Martina Havenith de Ruhr-Universität Bochum (RUB) ha podido arrojar nueva luz sobre las propiedades del agua a nivel molecular. En particular, pudieron describir con precisión las interacciones entre tres moléculas de agua, que contribuyen significativamente al panorama energético del agua. La investigación podría allanar el camino para comprender y predecir mejor el comportamiento del agua en diferentes condiciones, incluso bajo los extremos. Los resultados se han publicado en línea en la revista. Angewandte Chemie el 19 de abril de 2020.

Interacciones a través de vibraciones

A pesar de que el agua a primera vista parece un simple líquido, tiene muchas propiedades inusuales, uno de ellos es que es menos denso cuando está congelado que cuando está líquido. De la manera más simple, los líquidos se describen mediante la interacción de sus socios directos, que en su mayoría son suficientes para una buena descripción, pero no en el caso del agua:las interacciones en los dímeros del agua representan el 75 por ciento de la energía que mantiene el agua unida. Martina Havenith, jefe de la Cátedra de Química Física II con sede en Bochum y portavoz del Grupo de Excelencia Ruhr Explores Solvation (Resolv), y sus colegas de la Universidad de Emory en Atlanta, NOSOTROS, publicó recientemente una descripción precisa de las interacciones relacionadas con el dímero de agua. Para tener acceso a las interacciones cooperativas, que constituyen el 25 por ciento de la interacción total del agua, el trímero de agua tuvo que ser investigado.

Ahora, el equipo dirigido por Martina Havenith en colaboración con colegas de la Universidad de Emory y de la Universidad de Mississipi, NOSOTROS, ha podido describir por primera vez de forma precisa la interacción energética entre tres moléculas de agua. Probaron descripciones teóricas modernas contra el resultado de la huella digital espectroscópica de estas interacciones intermoleculares.

Obstáculos para la investigación experimental

Durante más de 40 años, Los científicos han desarrollado modelos computacionales y simulaciones para describir las energías involucradas en el trímero de agua. Los experimentos han tenido menos éxito a pesar de algunos conocimientos pioneros en estudios de fase gaseosa, y se basan en la espectroscopia. La técnica funciona irradiando una muestra de agua con radiación y registrando cuánta luz se ha absorbido. El patrón obtenido está relacionado con los diferentes tipos de excitaciones de los movimientos intermoleculares que involucran más de una molécula de agua. Desafortunadamente, para obtener estas huellas dactilares espectroscópicas para dímeros y trímeros de agua, uno necesita irradiar en la región de frecuencia de terahercios. Y las fuentes láser que proporcionan alta potencia han faltado para esa región de frecuencia.

Este vacío técnico se ha llenado solo recientemente. En la publicación actual, los científicos de RUB utilizaron los láseres de electrones libres en la Universidad de Radboud en Nijmegen en los Países Bajos, lo que permite altas potencias en la región de frecuencia de terahercios. El láser se aplicó a través de diminutas gotas de helio superfluido, que se enfría a temperaturas extremadamente bajas, a menos 272, 75 grados centígrados. Estas gotas pueden recolectar moléculas de agua una por una, permitiendo aislar pequeños agregados de dímeros y trímeros. De esta manera, los científicos pudieron irradiar exactamente las moléculas que querían y adquirir el primer espectro completo del trímero de agua en la región de frecuencia de terahercios.

Las observaciones experimentales de las vibraciones intermoleculares se compararon e interpretaron utilizando cálculos cuánticos de alto nivel. De esta forma, los científicos pudieron analizar el espectro y asignar hasta seis vibraciones intermoleculares diferentes.