Por primera vez, los físicos han observado una propiedad cuántica que hace que el agua sea extraña

Hay una tormenta en tu copa de aquellos que apenas entendemos. Moléculas de agua girando salvajemente, acercándose unas a otras, agarrándose y soltándose de formas únicas que desafían el estudio fácil.

Mientras que 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 femtosegundos precisión para revelar cómo el hidrógeno y el oxígeno se introducen en las moléculas de agua.

Es posible que sus hallazgos no nos ayuden a preparar una mejor taza de té, pero contribuyen en gran medida a profundizar en el modelado cuántico de enlaces de hidrógeno, mejorando potencialmente las teorías que explican por qué el agua, tan vital para la vida como la conocemos, tiene propiedades tan intrigantes. .

«Esto realmente ha abierto una nueva ventana para estudiar el agua», Él dice Xijie Wang, físico del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía de EE. UU.

«Ahora que finalmente podemos ver los enlaces de hidrógeno en movimiento, nos gustaría vincular esos movimientos con 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». .. «

De forma aislada, una sola molécula de agua es una batalla a tres bandas por la custodia de los electrones entre dos átomos de hidrógeno y un solo oxígeno.

Con muchos más protones que su par de pequeños ayudantes, el oxígeno obtiene un poco más del amor de la molécula por los electrones. Esto deja a cada hidrógeno con un poco más de tiempo libre de electrones de lo habitual. Los diminutos átomos no quedan exactamente cargados positivamente, sino que crean una molécula en forma de V con una ligera pendiente de puntas ligeramente positivas y un núcleo ligeramente negativo.

Si se juntan varias de estas moléculas con suficiente energía, los pequeños cambios de carga se organizarán en consecuencia, con las mismas cargas alejándose y a diferencia de las cargas uniéndose.

Si bien todo esto puede parecer bastante simple, el motor detrás de este proceso está lejos de ser sencillo. Los electrones se mueven bajo la influencia de varias leyes cuánticas, lo que significa que cuanto más nos acercamos, menos seguros podemos estar de ciertas propiedades.

Anteriormente, los físicos se habían basado en la espectroscopia ultrarrápida para comprender cómo se mueven los electrones en el caótico tira y afloja del agua, capturando fotones de luz y analizando su firma para mapear las posiciones de los electrones.

Desafortunadamente, esto deja fuera una parte crucial del escenario: los propios átomos. Lejos de los espectadores pasivos, también se flexionan y se bambolean con respecto a las fuerzas cuánticas que se mueven a su alrededor.

«La baja masa de átomos de hidrógeno acentúa su comportamiento de onda cuántica», Él dice Kelly Gaffney, físico de SLAC.

Para obtener información sobre 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 / SLAC National Accelerator Laboratory)

Arriba: la animación muestra cómo responde 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) atraen átomos de oxígeno (rojos) de las moléculas de agua cercanas, antes de alejarlas, expandiendo el espacio entre las moléculas.

Con suficientes instantáneas, fue posible construir una imagen de alta resolución del parpadeo del hidrógeno cuando las moléculas se doblan y flexionan a su alrededor, revelando cómo arrastran el oxígeno de las moléculas cercanas hacia ellas antes de repelerlas violentamente de nuevo.

«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 durante mucho tiempo se ha sugerido que es responsable de los atributos únicos del agua. y su red de enlaces de hidrógeno » Él dice Gaffney.

Ahora que se ha demostrado que la herramienta funciona en principio, los investigadores pueden usarla para estudiar el vals turbulento de las moléculas de agua a medida que aumenta la presión y bajan las temperaturas, observando cómo responde a los solutos orgánicos que crean vida o forman nuevos e increíbles. condiciones.

Nunca una tormenta se había visto tan bonita.

Esta investigación fue publicada en Naturaleza.