Un equipo de científicos ha descubierto nuevas propiedades moleculares del agua, un descubrimiento de un fenómeno que antes había pasado desapercibido.

Un equipo de científicos ha descubierto nuevas propiedades moleculares del agua, un descubrimiento de un fenómeno que antes había pasado desapercibido.

Se sabe que el agua líquida es un excelente transportador de sus propios productos de autoionización; es decir, la especie cargada obtenida cuando una molécula de agua (H ₂ O) se divide en protones (H ⁺ ) e iones hidróxido (OH ^- ). Esta notable propiedad del agua la convierte en un componente crítico en las tecnologías emergentes de producción y almacenamiento de energía electroquímica, como las pilas de combustible; Por supuesto, la vida misma no sería posible si el agua no poseyera esta característica.

Se sabe que el agua consiste en una intrincada red de débiles, interacciones direccionales conocidas como enlaces de hidrógeno. Durante casi un siglo, Se pensaba que los mecanismos por los cuales el agua transporta el H ⁺ y oh ^- Los iones eran imágenes especulares entre sí, idénticos en todos los aspectos, excepto en las direcciones de los enlaces de hidrógeno involucrados en el proceso.

Modelos teóricos y simulaciones por ordenador de última generación, sin embargo, predijo una asimetría fundamental en estos mecanismos. Si es correcto, esta asimetría es algo que podría explotarse en diferentes aplicaciones adaptando un sistema para favorecer un ion sobre el otro.

La prueba experimental de la predicción teórica sigue siendo difícil de alcanzar debido a la dificultad de observar directamente las dos especies iónicas. Diferentes experimentos solo han proporcionado destellos de la asimetría predicha.

Un equipo de científicos de la Universidad de Nueva York, dirigido por el profesor Alexej Jerschow e incluyendo a Emilia Silletta, un becario postdoctoral de la NYU, y Mark Tuckerman, profesor de química y matemáticas en NYU, ideó un experimento novedoso para clavar esta asimetría. El enfoque experimental implicó enfriar el agua hasta su llamada temperatura de densidad máxima, donde se espera que la asimetría sea más manifiesta, lo que permite que se detecte con cuidado.

Es de conocimiento común que el hielo flota en el agua y que los lagos se congelan desde la parte superior. Esto se debe a que las moléculas de agua se agrupan en una estructura con menor densidad que la del agua líquida, una manifestación de las propiedades inusuales del agua:la densidad del agua líquida aumenta justo por encima del punto de congelación y alcanza un máximo a los cuatro grados Celsius (39 grados Fahrenheit ), la llamada temperatura de máxima densidad; esta diferencia de densidad dicta que el líquido siempre se encuentra debajo del hielo.

Al enfriar el agua a esta temperatura, el equipo empleó métodos de resonancia magnética nuclear (el mismo tipo de enfoque es médico en la resonancia magnética) para mostrar que la diferencia en la vida útil de los dos iones alcanza un valor máximo (cuanto mayor es la vida útil, cuanto más lento es el transporte). Al acentuar la diferencia de vidas, la asimetría se hizo notoriamente clara.

Como se señaló anteriormente, el agua consta de un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, pero los átomos de hidrógeno son relativamente móviles y pueden saltar de una molécula a otra, y es este salto lo que hace que las dos especies iónicas sean tan móviles en el agua.

Al buscar explicaciones para las características dependientes de la temperatura, los investigadores se centraron en la velocidad con la que pueden producirse tales saltos.

Investigaciones anteriores habían indicado que dos arreglos geométricos principales de enlaces de hidrógeno (uno asociado con cada ion) facilitan los saltos. Los investigadores encontraron que uno de los arreglos condujo a saltos significativamente más lentos para OH ^- que para H ⁺ a cuatro grados centígrados. Siendo que esta es también la temperatura de máxima densidad, los investigadores sintieron que los dos fenómenos debían estar relacionados. Además, sus resultados mostraron que el comportamiento de salto de las moléculas cambiaba abruptamente a esta temperatura.

"El estudio de las propiedades moleculares del agua es de gran interés debido a su papel central en la habilitación de procesos fisiológicos y su naturaleza ubicua, "dice Jerschow, el autor correspondiente de este estudio. "El nuevo hallazgo es bastante sorprendente y puede permitir una comprensión más profunda de las propiedades del agua, así como su papel como fluido en muchos de los fenómenos de la naturaleza".

Tuckerman, quien fue uno de los primeros investigadores en predecir la asimetría en los mecanismos de transporte y la diferencia en los arreglos de los enlaces de hidrógeno, dice, "Es gratificante tener esta clara pieza de evidencia experimental que confirma nuestras predicciones anteriores. Actualmente estamos buscando nuevas formas de explotar la asimetría entre H ⁺ y oh ^- transporte para diseñar nuevos materiales para aplicaciones de energía limpia, y saber que estamos comenzando con un modelo correcto es fundamental para nuestro progreso continuo ".

Una gran cantidad de otras investigaciones, que van desde el estudio de la función de las enzimas en el cuerpo hasta la comprensión de cómo los organismos vivos pueden prosperar en condiciones difíciles, incluyendo temperaturas bajo cero y ambientes altamente ácidos, también se verá afectado por los hallazgos del equipo.