No hay duda de que el agua es importante. Sin él, la vida nunca habría comenzado, y mucho menos continuaría hoy en día, sin mencionar su papel en el medio ambiente mismo, con océanos que cubren más del 70% de la Tierra.
Pero a pesar de su ubicuidad, el agua líquida presenta algunas complejidades electrónicas que han desconcertado durante mucho tiempo a los científicos de la química, la física y la tecnología. Por ejemplo, la afinidad electrónica, es decir, la estabilización energética que sufre un electrón libre cuando es capturado por el agua, sigue estando mal caracterizada desde el punto de vista experimental.
Incluso la teoría estructural electrónica más precisa actual no ha podido aclarar el panorama, lo que significa que cantidades físicas importantes, como la energía con la que se pueden inyectar electrones de fuentes externas en agua líquida, siguen siendo difíciles de alcanzar. Estas propiedades son cruciales para comprender el comportamiento de los electrones en el agua y podrían desempeñar un papel en los sistemas biológicos, los ciclos ambientales y aplicaciones tecnológicas como la conversión de energía solar.
En un estudio reciente, los investigadores de la EPFL Alexey Tal, Thomas Bischoff y Alfredo Pasquarello han logrado avances significativos en descifrar el rompecabezas. Su estudio, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences , aborda la estructura electrónica del agua utilizando métodos computacionales que van más allá de los enfoques más avanzados actuales.
Los investigadores estudiaron el agua utilizando un método basado en la "teoría de la perturbación de muchos cuerpos". Se trata de un marco matemático complejo que se utiliza para estudiar las interacciones de múltiples partículas dentro de un sistema, como electrones en un sólido o una molécula, explorando cómo estas partículas afectan el comportamiento de las demás, no de forma aislada sino como parte de un grupo interactuante más grande. P>
Dicho de manera relativamente simple, la teoría de perturbaciones de muchos cuerpos es una forma de calcular y predecir las propiedades de un sistema de muchas partículas teniendo en cuenta todas las interacciones complejas entre sus componentes.
Pero los físicos modificaron la teoría con "correcciones de vértice":modificaciones en la teoría de perturbaciones de muchos cuerpos que explican las interacciones complejas entre partículas más allá de las aproximaciones más simples.
Las correcciones de vértice refinan la teoría al tener en cuenta cómo estas interacciones afectan los niveles de energía de las partículas, por ejemplo, su respuesta a campos externos o su propia energía. En resumen, las correcciones de vértices conducen a predicciones más precisas de las propiedades físicas en un sistema de muchas partículas.
Modelar agua líquida es particularmente desafiante. Una molécula de agua contiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, y tanto su movimiento térmico como la naturaleza cuántica de sus núcleos juegan un papel clave. Teniendo en cuenta estos aspectos, los investigadores determinaron con precisión las propiedades electrónicas del agua, como su potencial de ionización, afinidad electrónica y banda prohibida. Estos hallazgos son esenciales para comprender cómo interactúa el agua con la luz y otras sustancias a nivel electrónico.
"Nuestro estudio de los niveles de energía del agua concilia la teoría de alto nivel con la experimentación", afirma Alfredo Pasquarello. Alexey Tal destaca además la importancia de la nueva metodología:"Gracias a la descripción avanzada de la estructura electrónica, también pudimos producir un espectro de absorción preciso".
Los hallazgos tienen implicaciones adicionales. Los desarrollos teóricos aplicados por el equipo de EPFL sientan las bases para un nuevo estándar de aplicación universal para lograr estructuras electrónicas precisas de materiales. Esto proporciona una herramienta altamente predictiva que podría revolucionar nuestra comprensión fundamental de las propiedades electrónicas en la ciencia de la materia condensada, con aplicaciones en la búsqueda de propiedades de materiales con funcionalidades electrónicas específicas.
Más información: Tal, Alexey et al, Niveles absolutos de energía del agua líquida a partir de la teoría de perturbaciones de muchos cuerpos con correcciones efectivas de vértices, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2311472121. doi.org/10.1073/pnas.2311472121
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
