Los científicos de la Universidad de Estocolmo han descubierto que el agua puede exhibir un comportamiento similar al de un cristal líquido cuando se ilumina con luz láser. Este efecto se origina por la alineación de las moléculas de agua, que exhiben una mezcla de dominios de baja y alta densidad que son más o menos propensos a alinearse. Los resultados, reportado en Cartas de revisión de física , se basan en una combinación de estudios experimentales que utilizan láseres de rayos X y simulaciones moleculares.

Los cristales líquidos se consideraron una mera curiosidad científica cuando se descubrieron por primera vez en 1888. Más de 100 años después, son una de las tecnologías más utilizadas, presente en pantallas digitales (LCD) de relojes, Televisores y pantallas de computadora. Los cristales líquidos funcionan aplicando un campo eléctrico, que hace que las moléculas vecinas de un líquido se alineen, de una manera que se asemeja a un cristal. El agua también se puede distorsionar hacia un cristal líquido, cuando se ilumina con luz láser. Se sabe que el campo eléctrico del láser puede alinear las moléculas de agua durante menos de una milmillonésima de segundo. ¿Puede este descubrimiento tener futuras aplicaciones tecnológicas?

Un equipo internacional de investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Estocolmo llevó a cabo experimentos en el láser SACLA de rayos X de electrones libres de Japón y sondeó por primera vez la dinámica de moléculas orientadas transitoriamente utilizando pulsos de rayos X. Esta tecnica, se basa en alinear las moléculas con un pulso láser (con longitud de onda λ =800 nm) y probar la alineación con pulsos de rayos X, que permiten ver en tiempo real los cambios en la estructura a nivel molecular. Variando el tiempo entre el láser y los pulsos de rayos X, los investigadores pudieron resolver el estado alineado, que vive solo por 160 fs.

"Se sabe que las moléculas de agua están alineadas debido a la polarización del pulso láser", explica Kyung Hwan Kim. ex investigador de la Universidad de Estocolmo y actualmente profesor asistente en la Universidad POSTECH de Corea, "Sin embargo, es una capacidad única poder utilizar láseres de rayos X para ver la alineación molecular en tiempo real".

"Los rayos X son perfectos para sondear moléculas porque su longitud de onda coincide con las escalas de longitud molecular", dice el Dr. Alexander Späh, ex estudiante de doctorado en Física en la Universidad de Estocolmo, y actualmente es un postdoctorado en la Universidad de Stanford. "Realmente disfruto tener la oportunidad de utilizar instalaciones de rayos X de última generación para investigar cuestiones fundamentales que podrían tener futuras aplicaciones tecnológicas".

Los experimentos fueron bien reproducidos por simulaciones moleculares, que dio una idea del mecanismo de alineación subyacente. Suponiendo que el agua se comporta como un líquido de dos estados, que consta de dominios líquidos de alta y baja densidad (HDL y LDL), los investigadores descubrieron que cada dominio muestra una tendencia diferente a alinearse.

"Las moléculas de agua en las regiones LDL tienen una red de enlaces de hidrógeno más fuerte, lo que hace que las moléculas respondan más fácilmente al fuerte campo láser ", explica Anders Nilsson, profesor de Física Química en la Universidad de Estocolmo. "Sería fascinante medir el tiempo de vida de la alineación molecular en el régimen de superenfriamiento, donde se espera que todo se ralentice drásticamente ".

"Ser capaz de comprender el agua a nivel molecular observando los cambios de la red de enlaces de hidrógeno, puede desempeñar un papel importante en la actividad biológica ", dice Fivos Perakis, profesor asistente de Física en la Universidad de Estocolmo. "Tengo curiosidad por ver si la alineación observada puede conducir a aplicaciones tecnológicas en el futuro, por ejemplo en relación con la limpieza y desalinización del agua ".