El agua es el líquido más abundante y menos conocido de la naturaleza. Exhibe muchos comportamientos extraños que los científicos aún luchan por explicar. Ahora, un equipo internacional de físicos ha observado de cerca los secretos de este necesario compuesto. Los detalles del trabajo fueron publicados en Nature.

Físicos del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC, la Universidad de Stanford y la Universidad de Estocolmo han realizado la primera observación directa de la forma en que los átomos de hidrógeno tiran y empujan las moléculas de agua vecinas cuando se excitan con la luz láser.

Los resultados revelan efectos que respaldarían aspectos clave sobre el origen microscópico de las extrañas propiedades del agua. Al mismo tiempo, nos podrían conducir a comprender mejor cómo el agua hace que las proteínas funcionen en los organismos vivos.

Las propiedades del agua

El experimento marca la primera vez que se observa directamente el efecto cuántico nuclear en el corazón de muchas de las extrañas propiedades del agua. “La pregunta es si este efecto cuántico podría ser el eslabón perdido en los modelos teóricos que describen las propiedades anómalas del agua”, explica el químico Anders Nilsson de la Universidad de Estocolmo.

Cada molécula de agua contiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Al mismo tiempo, una red de enlaces de hidrógeno entre átomos de hidrógeno cargados positivamente en una molécula y átomos de oxígeno cargados negativamente en moléculas vecinas mantiene a todo junto.

Esta intrincada red es la fuerza impulsora detrás de muchas de las propiedades inexplicables del agua. Pero, hasta hace poco, los investigadores no eran capaces de 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”, comenta Kelly Gaffney, del Instituto Stanford PULSE en SLAC. “Este estudio es el primero en demostrar directamente que la respuesta que le da la red de enlaces de hidrógeno a un impulso de energía depende críticamente de la naturaleza mecánica cuántica sobre cómo se espacian los átomos de hidrógeno”.

El experimento

Hasta ahora, hacer esta observación había sido un desafío porque los movimientos de los enlaces de hidrógeno son muy pequeños y rápidos. Este experimento superó ese problema usando el MeV-UED de SLAC. Esta es una “cámara de electrones” de alta velocidad que detecta movimientos moleculares sutiles mediante la dispersión de un potente haz de electrones de las muestras.

El equipo de investigación creó chorros de agua líquida de 100 nanómetros de espesor, mil veces más delgados que el ancho de un cabello humano. Luego, puso las moléculas de agua en vibración con luz láser infrarroja. Finalmente, explotaron las moléculas con pulsos cortos de electrones de alta energía de MeV-UED.

Esto generó imágenes de alta resolución de la estructura atómica cambiante de las moléculas. Los autores unieron estas instantáneas en una película de stop-motion que muestra a la red de moléculas de agua respondiendo a la luz.

Las imágenes enfocadas en grupos de tres moléculas de agua, revelaron que cuando una molécula de agua excitada comienza a vibrar, sus átomos de hidrógeno acercan los átomos de oxígeno pertenecientes a las moléculas de agua vecinas antes de alejarlos con su nueva fuerza, expandiendo el espacio entre las moléculas.

Los científicos esperan utilizar este método para obtener más información sobre la naturaleza cuántica de los enlaces de hidrógeno. También buscan conocer el papel que desempeñan en las extrañas propiedades del agua. El conocimiento recabado podría ayudarnos a crear métodos de energía renovable, procesos químicos más óptimos y a entender mejor la biología.