Observan por primera vez las interacciones atómicas entre moléculas de agua responsables de sus «anómalas» y «extrañas» propiedades

Publicado: 27 ago 2021 14:07 GMT

Gracias al uso de una «cámara de electrones» de superalta velocidad, los investigadores lograron tomar las primeras imágenes de la cambiante estructura atómica de las moléculas de agua ante un impulso de energía.

Si bien es cierto que algunos estudiosos han sugerido la hipótesis de que un efecto nuclear cuántico, conocido como enlace o puente de hidrógeno, es el responsable de las «extrañas» y «anómalas» propiedades del agua, como su extraordinaria tensión superficial, su potencial de almacenamiento térmico o su inusualmente eficiente capacidad de redistribuir y liberar la energía vibracional, este fenómeno, así como la forma en la que afecta al vital líquido aún no se han logrado explicar del todo.

En este contexto, un equipo internacional de investigadores ha logrado observar por primera vez cómo los átomos de hidrógeno interactúan con los átomos de oxígeno de las moléculas vecinas, arrojando nueva luz sobre aspectos clave del origen microscópico de los «extraños» comportamientos que presenta en su estado líquido, de acuerdo al Laboratorio Nacional de Aceleradores de EE.UU. 

Según detalla el instituto estadounidense, se estima que una intrincada red de enlaces de hidrógeno entre los átomos de este elemento, con carga positiva, y los átomos de oxígeno, con carga negativa, de las moléculas de agua contiguas, «es la fuerza motriz de muchas de las inexplicables propiedades del agua». No obstante, puesto que los movimientos cuánticos son muy pequeños y rápidos, la observación de este fenómeno ha sido todo un desafío para los físicos.

Para superar esta cuestión, los científicos utilizaron una «cámara de electrones» con resolución temporal de milbillonésimas de segundo (femtosegundos) capaz de detectar la dinámica atómica y molecular ultrarrápida de los puentes de hidrógeno. Durante las pruebas, los académicos hicieron vibrar las moléculas de agua de un chorro de 100 nanómetros de grosor —unas 1.000 veces más finos que el ancho de un cabello humano— con luz láser infrarroja. Una vez en movimiento, estas fueron ‘bombardeadas’ con pulsos cortos de electrones de alta energía procedentes de la cámara, generando así imágenes de alta resolución de la estructura atómica cambiante de las moléculas de agua ante un impulso de energía.

¿Producto del programa nuclear nazi? Buscan establecer la antigüedad y procedencia de un cubo de uranio hallado en un laboratorio de EE.UU.¿Producto del programa nuclear nazi? Buscan establecer la antigüedad y procedencia de un cubo de uranio hallado en un laboratorio de EE.UU.

Las imágenes obtenidas mostraron que cuando una molécula de agua excitada por el láser empieza a vibrar, sus átomos de hidrógeno tiran de los átomos de oxígeno de las moléculas de agua vecinas para acercarlos, antes de alejarlos con nueva fuerza, ampliando así el espacio entre las moléculas. Estos resultados, señalan los expertos, revelan «la naturaleza cuántica de los enlaces de hidrógeno y el papel que desempeñan en las extrañas propiedades» del líquido, muchas de las cuales son fundamentales en gran variedad de procesos químicos y biológicos.

«Ahora que por fin podemos ver cómo se mueven los enlaces de hidrógeno, nos gustaría conectar esos movimientos con un panorama más amplio, lo que podría arrojar luz sobre cómo el agua condujo al origen y la supervivencia de la vida en la Tierra e informar sobre el desarrollo de métodos de energía renovable». Del mismo modo podría conducir a una mejor comprensión de cómo el vital líquido ayuda al funcionamiento de las proteínas en los organismos vivos, explicó Xijie Wang, coautor de la investigación publicada recientemente en Nature.

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