Nuevas propiedades del agua

Se sabe que el agua líquida es un excelente transportador de sus propios productos de autoionización; es decir, la especie cargada que se obtiene cuando una molécula de agua (H2O) se divide en protones (H +) e iones de hidróxido (OH-). Esta notable propiedad del agua lo convierte en un componente crítico de las tecnologías emergentes de producción y almacenamiento de energía electroquímica, como las pilas de combustible; de hecho, la vida misma no sería posible si el agua no posee esta característica.

Se sabe que el agua consiste en una intrincada red de interacciones débiles y direccionales conocidas como enlaces de hidrógeno. Durante casi un siglo, se pensó que los mecanismos por los cuales el agua transporta el H + y OH- los iones eran imágenes especulares entre sí, idénticas en todos los sentidos, excepto por las direcciones de los enlaces de hidrógeno involucrados en el proceso.

Sin embargo, los modelos teóricos y las simulaciones computacionales actuales de vanguardia predijeron una asimetría fundamental en estos mecanismos. Si es correcto, esta asimetría es algo que podría explotarse en diferentes aplicaciones al adaptar un sistema para favorecer a un ión sobre el otro.

La prueba experimental de la predicción teórica ha permanecido a la esquiva debido a la dificultad de observar directamente las dos especies iónicas. Diferentes experimentos sólo han proporcionado destellos de la asimetría pronosticada.

Un equipo de científicos de la Universidad de Nueva York, dirigido por el profesor Alexej Jerschow e incluyendo a Emilia Silletta, becaria postdoctoral de la Universidad de Nueva York, y Mark Tuckerman, profesor de química y matemática en la Universidad de Nueva York, idearon un nuevo experimento para resolver esta asimetría.

El enfoque experimental involucró el enfriamiento del agua hasta su llamada temperatura de máxima densidad, donde se espera que la asimetría se manifieste más fuertemente, lo que permite que sea cuidadosamente detectada.

Es de conocimiento común que el hielo flota sobre el agua y que los lagos se congelan desde la parte superior. Esto se debe a que las moléculas de agua se acumulan en una estructura con menor densidad que el agua líquida, una manifestación de las propiedades inusuales del agua: la densidad del agua líquida aumenta justo por encima del punto de congelación y alcanza un máximo de cuatro grados Celsius, la llamada temperatura de máxima densidad; esta diferencia de densidad dicta que el líquido siempre está situado debajo del hielo.

Al enfriar el agua a esta temperatura, el equipo empleó métodos de resonancia magnética nuclear (el mismo tipo de enfoque es médicamente en imágenes por resonancia magnética) para mostrar que la diferencia en la vida útil de los dos iones alcanza un valor máximo (cuanto mayor es la vida útil, más lento el transporte). Al acentuar la diferencia en vidas, la asimetría se hizo evidente.

Como se señaló anteriormente, el agua consta de un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, pero los átomos de hidrógeno son relativamente móviles y pueden saltar de una molécula a otra, y es este salto lo que hace que las dos especies iónicas sean tan móviles en el agua.

En la búsqueda de explicaciones para las características dependientes de la temperatura, los investigadores se centraron en la velocidad con que tales saltos pueden ocurrir.

Investigaciones anteriores habían indicado que dos disposiciones geométricas principales de enlaces de hidrógeno (una asociada con cada ion) facilitan los saltos. Los investigadores encontraron que uno de los arreglos llevó a lúpulos significativamente más lentos para OH- que para H + a cuatro grados Celsius. Siendo que esta es también la temperatura de máxima densidad, los investigadores consideraron que los dos fenómenos debían estar relacionados. Además, sus resultados mostraron que el comportamiento de salto de las moléculas cambió abruptamente a esta temperatura.

"El estudio de las propiedades moleculares del agua es de gran interés debido a su papel central en la habilitación de los procesos fisiológicos y su naturaleza ubicua", dice Jerschow, el autor correspondiente de este estudio. "El nuevo hallazgo es bastante sorprendente y puede permitir una comprensión más profunda de las propiedades del agua, así como su papel como un fluido en muchos de los fenómenos de la naturaleza".

Tuckerman, quien fue uno de los primeros investigadores en predecir la asimetría en los mecanismos de transporte y la diferencia en los arreglos de los enlaces de hidrógeno, dice: "Es gratificante tener esta clara evidencia experimental que confirme nuestras predicciones anteriores. Actualmente estamos buscando nuevas formas de explotar la asimetría entre el transporte H + y OH- para diseñar nuevos materiales para aplicaciones de energía limpia, y sabiendo que estamos comenzando con un modelo correcto es fundamental para nuestro progreso continuo”.

Una gran cantidad de otras investigaciones, que van desde el estudio de la función enzimática en el cuerpo hasta la comprensión de cómo los organismos vivos pueden prosperar en condiciones difíciles, incluidas las temperaturas bajo cero y los ambientes altamente ácidos, también se verán afectadas por los hallazgos del equipo.

Referencia

Unusual Proton Transfer Kinetics in Water at the Temperature of Maximum Density. Emilia V. Silletta, Mark E. Tuckerman, and Alexej Jerschow. Phys. Rev. Lett. 121, 076001