El agua es el líquido más abundante y menos conocido de la naturaleza. Exhibe muchos comportamientos extraños que los científicos aún luchan por explicar. Si bien la mayoría de los líquidos se vuelven más densos a medida que se enfrían, el agua es más densa a 39 grados Fahrenheit, justo por encima de su punto de congelación. Esta es la razón por la que el hielo flota hasta la parte superior de un vaso y los lagos se congelan desde la superficie hacia abajo. permitiendo que la vida marina sobreviva a los fríos inviernos. El agua también tiene una tensión superficial inusualmente alta, permitiendo que los insectos caminen sobre su superficie, y una gran capacidad para almacenar calor, mantener estables las temperaturas del océano.

Ahora, un equipo que incluye investigadores del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, La Universidad de Stanford y la Universidad de Estocolmo en Suecia han realizado la primera observación directa de cómo los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua tiran y empujan las moléculas de agua vecinas cuando se excitan con la luz láser. Sus resultados, publicado en Naturaleza hoy dia, revelan efectos que podrían respaldar aspectos clave del origen microscópico de las extrañas propiedades del agua y podrían conducir a una mejor comprensión de cómo el agua ayuda a las proteínas a funcionar en los organismos vivos.

"Aunque se ha planteado la hipótesis de que este llamado efecto cuántico nuclear está en el corazón de muchas de las extrañas propiedades del agua, este experimento marca la primera vez que se observa directamente, "dijo el colaborador del estudio Anders Nilsson, profesor de física química en la Universidad de Estocolmo. "La pregunta es si este efecto cuántico podría ser el eslabón perdido en los modelos teóricos que describen las propiedades anómalas del agua".

Cada molécula de agua contiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, y una red de enlaces de hidrógeno entre átomos de hidrógeno cargados positivamente en una molécula y átomos de oxígeno cargados negativamente en moléculas vecinas los mantiene a todos juntos. Esta intrincada red es la fuerza impulsora detrás de muchas de las propiedades inexplicables del agua, pero hasta hace poco los investigadores no pudieron observar directamente cómo interactúa una molécula de agua con sus vecinas.

"La baja masa de los átomos de hidrógeno acentúa su comportamiento de onda cuántica, "dijo la colaboradora Kelly Gaffney, científico del Stanford Pulse Institute en SLAC. "Este estudio es el primero en demostrar directamente que la respuesta de la red de enlaces de hidrógeno a un impulso de energía depende críticamente de la naturaleza mecánica cuántica de cómo se espacian los átomos de hidrógeno, que se ha sugerido durante mucho tiempo como responsable de los atributos únicos del agua y su red de enlaces de hidrógeno ".

Ama a tu prójimo

Hasta ahora, Hacer esta observación ha sido un desafío porque los movimientos de los enlaces de hidrógeno son muy pequeños y rápidos. Este experimento superó ese problema utilizando MeV-UED de SLAC, una "cámara de electrones" de alta velocidad que detecta movimientos moleculares sutiles al dispersar un poderoso haz de electrones fuera de las muestras.

El equipo de investigación creó chorros de agua líquida de 100 nanómetros de espesor, aproximadamente 1, 000 veces más delgado que el ancho de un cabello humano, y hace que las moléculas de agua vibren con luz láser infrarroja. Luego explotaron las moléculas con pulsos cortos de electrones de alta energía de MeV-UED.

Esto generó instantáneas de alta resolución de la estructura atómica cambiante de las moléculas que unieron en una película de stop-motion de cómo la red de moléculas de agua respondía a la luz.

Las instantáneas que se centró en grupos de tres moléculas de agua, reveló que cuando una molécula de agua excitada comienza a vibrar, su átomo de hidrógeno acerca los átomos de oxígeno de las moléculas de agua vecinas antes de alejarlos con su nueva fuerza, expandiendo el espacio entre las moléculas.

"Por mucho tiempo, Los investigadores han intentado comprender la red de enlaces de hidrógeno mediante técnicas de espectroscopia, "dijo Jie Yang, ex científico de SLAC y ahora profesor en la Universidad de Tsinghua en China, quien dirigió el estudio. "La belleza de este experimento es que por primera vez pudimos observar directamente cómo se mueven estas moléculas".

Una ventana sobre el agua

Los investigadores esperan utilizar este método para obtener más información sobre la naturaleza cuántica de los enlaces de hidrógeno y el papel que desempeñan en las extrañas propiedades del agua. así como el papel clave que juegan estas propiedades en muchos procesos químicos y biológicos.

"Esto realmente ha abierto una nueva ventana para estudiar el agua, "dijo Xijie Wang, un científico distinguido del SLAC y colaborador del estudio. "Ahora que por fin podemos ver el movimiento de los enlaces de hidrógeno, nos gustaría conectar esos movimientos con una imagen más amplia, lo que podría arrojar luz sobre cómo el agua condujo al origen y supervivencia de la vida en la Tierra e informar el desarrollo de métodos de energía renovable ".

MeV-UED es un instrumento de la instalación de usuario de LCLS, operado por SLAC en nombre de la Oficina de Ciencias del DOE, que financió esta investigación.