La experiencia común nos dice que el aceite y el agua no se mezclan. Sin embargo, resulta que pueden mezclarse cuando el aceite se dispersa como pequeñas gotas en el agua. Este extraño comportamiento ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo porque no hay explicación para ello. Un equipo de científicos de la EPFL y el ICTP ha estudiado esta cuestión utilizando tecnología óptica novedosa y ha descubierto el mecanismo por el que estos dos compuestos neutros e inmiscibles pueden mezclarse y formar emulsiones. La respuesta está en la distribución de carga eléctrica en la interfaz.

Durante más de cien años, los químicos se han hecho esta pregunta:¿Cómo pueden existir pequeñas gotas de aceite en el agua sin moléculas estabilizadoras? "Después de todo, las moléculas de agua tienen interacciones tan fuertes y favorecidas entre sí que no les gusta incorporar moléculas que no participen en estas interacciones", dice la profesora Sylvie Roke, investigadora principal del estudio.

De hecho, el aceite y el agua se segregan entre sí cuando simplemente se mezclan. Sin embargo, con suficiente aporte de energía en forma de ultrasonido, se forman gotas de aceite con tamaños inferiores a 1 micrón en agua pura y continúan existiendo durante varias semanas o meses. Curiosamente cuando se colocan en un campo eléctrico, las gotas se mueven hacia el electrodo positivo. Por lo tanto, la mezcla de aceite neutro y agua neutra da como resultado gotas de aceite cargadas negativamente. Como era de esperar, la fuente de este cargo inesperado ha sido muy debatida.

El equipo de científicos del Laboratorio de Biofotónica fundamental (LBP) de la escuela de ingeniería de la EPFL dirigido por el prof. Roke, en colaboración con el Dr. Ali Hassanali del Centro Internacional de Física Teórica (ICTP), Trieste encontró la fuente de la carga negativa al estudiar tanto la carga como la estructura molecular de las gotas interfaciales de aceite y agua. Sus resultados han sido publicados en Science .

Enlaces de hidrógeno inadecuados

Resulta que la respuesta a este enigma de larga data se encuentra en la interfaz entre las gotas de aceite y el agua. Las moléculas de agua prefieren donar y aceptar cargas eléctricas de sus vecinos a través de una interacción conocida como enlace de hidrógeno. Sin embargo, cuando están cerca de las moléculas de aceite en la superficie de las gotas, ya no pueden encontrar suficientes vecinos de agua para formar enlaces de hidrógeno. En cambio, estas moléculas de agua donan sus cargas eléctricas desequilibradas a las moléculas de aceite en la superficie de las gotas. Este estudio revela que la interacción agua-petróleo se produce a través de un llamado enlace de hidrógeno inadecuado. Este es un enlace de hidrógeno débil entre el aceite y el agua, y aunque débil, muchos de estos estabilizarán la gota.

Para desentrañar este mecanismo, el equipo de Roke utilizó una técnica óptica ultrarrápida. "Dos pulsos de láser ultracortos se superpusieron en una mezcla de gotas de aceite y agua. Cuando hacemos esto, se generan nuevos fotones y se dispersan desde la interfaz de las gotas. Estos fotones tienen la frecuencia de la suma de los dos rayos láser entrantes e informan sobre los enlaces vibratorios. en la interfaz, es decir, el movimiento de los átomos dentro de las moléculas interfaciales. Esto nos informa sobre la estructura y las interacciones entre el aceite y el agua", explica Roke. A escala molecular, la interfaz entre las gotas de aceite y el agua tiene fuertes similitudes con las interfaces implicadas en el plegamiento de proteínas o la formación de membranas biológicas. Por lo tanto, estos hallazgos sobre la estructura de la interfase gota de aceite/agua no solo satisfacen nuestra curiosidad sobre las intrincadas complejidades del agua, sino que también tienen implicaciones para comprender las interacciones a lo largo de la biología y la química.