Por primera vez, los físicos han observado una propiedad cuántica que hace que el agua sea extraña
Hay una tormenta en tu taza de té de gustos que apenas entendemos. Las moléculas de agua giran locamente, se agarran unas a otras, se aferran y se sueltan de formas únicas que desafían el estudio fácil.
Si bien los físicos conocen el fenómeno de enlace de hidrógeno juega un papel clave en las muchas configuraciones extrañas y maravillosas del agua, algunos detalles de cómo funciona exactamente han permanecido bastante vagos.
Un equipo internacional de investigadores ha adoptado un nuevo enfoque para obtener imágenes de las posiciones de las partículas que componen el agua líquida, capturando su desenfoque con femtosegundo precisión para revelar cómo el hidrógeno y el oxígeno chocan en las moléculas de agua.
Es posible que sus resultados no nos ayuden a preparar una mejor taza de té, pero contribuyen en gran medida a desarrollar modelos cuánticos de enlaces de hidrógeno, mejorando potencialmente las teorías sobre por qué el agua, tan vital para la vida como la conocemos, tiene propiedades tan intrigantes. .
«Realmente abrió una ventana completamente nueva para estudiar el agua», dijo Xijie Wang, físico del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía de EE. UU.
«Ahora que finalmente podemos ver el movimiento de los enlaces de hidrógeno, nos gustaría conectar estos movimientos a una imagen más amplia, que podría arrojar luz sobre cómo el agua condujo al origen y supervivencia de la vida en la Tierra e informar el desarrollo de métodos de energía renovable. . «
Aislada, una sola molécula de agua es una batalla a tres bandas por la protección de los electrones entre dos átomos de hidrógeno y un solo oxígeno.
Con muchos más protones que su pequeño par de acólitos, el oxígeno obtiene un poco más del amor electrónico de la molécula. Esto deja a cada hidrógeno un poco más de tiempo sin electrones de lo habitual. Los diminutos átomos no están exactamente cargados positivamente, pero esto da como resultado una molécula en forma de V con una suave pendiente de puntas sutilmente positivas y un núcleo ligeramente negativo.
Deseche varias de estas moléculas con suficiente energía, y los pequeños cambios de carga se organizarán en consecuencia, las mismas cargas se separarán y las diferentes cargas se juntarán.
Si bien todo esto puede parecer bastante simple, el motor detrás de este proceso es todo menos simple. Los electrones se mueven bajo la influencia de varias leyes cuánticas, lo que significa que cuanto más de cerca miramos, menos seguros podemos estar acerca de ciertas propiedades.
Anteriormente, los físicos se habían basado en la espectroscopia ultrarrápida para comprender cómo los electrones se mueven a través de la caótica lucha del agua, capturando fotones de luz y analizando sus firmas para mapear las posiciones de los electrones.
Desafortunadamente, eso deja fuera una parte crucial del paisaje: los átomos mismos. Lejos de ser espectadores pasivos, también se flexionan y vacilan en relación con las fuerzas cuánticas que se mueven a su alrededor.
«La baja masa de átomos de hidrógeno acentúa su comportamiento de onda cuántica», dijo Kelly Gaffney, físico de SLAC.
Para comprender mejor la disposición del átomo, el equipo utilizó un instrumento llamado Instrumento de difracción de electrones ultrarrápida Megaelectronvolt, o MeV-UED. Este dispositivo del Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC inunda el agua con electrones, que transportan información crucial sobre la disposición de los átomos a medida que rebotan en las moléculas.
(Greg Stewart / Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC)
Arriba: la animación muestra cómo reacciona una molécula de agua después de ser golpeada por una luz láser. Cuando la molécula de agua excitada comienza a vibrar, sus átomos de hidrógeno (blancos) tiran de los átomos de oxígeno (rojos) junto con las moléculas de agua vecinas, antes de empujarlas hacia atrás, ampliando el espacio entre las moléculas.
Con suficientes instantáneas, fue posible crear una imagen de alta resolución del temblor del hidrógeno cuando las moléculas se doblan y flexionan a su alrededor, revelando cómo arrastran el oxígeno de las moléculas vecinas hacia ellas antes de empujarlas hacia atrás violentamente.
«Este estudio es el primero en demostrar directamente que la respuesta de la red de enlaces de hidrógeno a un pulso de energía depende críticamente de la naturaleza mecánica cuántica de cómo están espaciados los átomos de hidrógeno, que se ha sugerido durante mucho tiempo como responsable de los atributos únicos de el agua y su red de enlaces de hidrógeno «, dijo Gaffney.
Ahora que la herramienta ha demostrado su eficacia en principio, los investigadores pueden utilizarla para estudiar el turbulento vals de las moléculas de agua a medida que aumentan las presiones y bajan las temperaturas, observando cómo reacciona a los solutos orgánicos que generan agua, vida o forman nuevas fases asombrosas en condiciones exóticas.
Nunca una tormenta ha sido tan graciosa.
Esta investigación fue publicada en La naturaleza.
