Durante décadas, los científicos han estudiado la composición y el comportamiento de los océanos del mundo, conscientes del papel fundamental del agua en el sistema climático y los ciclos químicos de la Tierra. Sin embargo, un nuevo hallazgo ha cambiado nuestra comprensión de la química de la superficie del océano.
Un equipo de investigadores británicos y alemanes muestra en un nuevo trabajo publicado en la revista Nature Chemistry, que las moléculas de agua en la superficie del agua salada se comportan de manera diferente a lo que se pensaba anteriormente, lo que implica no solo renovadas perspectivas para la ciencia y la tecnología ambientales, sino que también tendrán que reescribirse los modelos de los libros de texto tras este hallazgo de organización distinta de las moléculas de agua a como se creía.
Un factor clave en nuestro planeta
Muchas reacciones importantes relacionadas con el clima y los procesos ambientales tienen lugar donde las moléculas de agua interactúan con el aire. Por ejemplo, la evaporación del agua del océano juega un papel importante en la química atmosférica y la ciencia climática. Y es que la distribución de iones en el aire y el agua puede afectar los procesos atmosféricos. Sin embargo, hasta ahora no se contaban con detalles ultra precisos de las reacciones microscópicas en estas importantes interfaces.
Ahora, el líquido más valioso de nuestro mundo y también el más abundante, el agua, da una vuelta de tuerca a nuestro conocimiento sobre este compuesto. Tradicionalmente, se ha entendido que las moléculas de agua en las superficies de agua salada, o soluciones de electrolitos, se alinean de una manera específica.
Durante décadas, los científicos habían creído que una molécula de agua constaba de dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno central, formando una estructura curvada o en forma de V. Es un modelo que ha sido ampliamente aceptado y enseñado en aulas de todo el mundo.
Sin embargo, un equipo de científicos ha llevado a cabo un descubrimiento innovador que contradice los modelos tradicionales. Utilizando técnicas de imagen avanzadas y simulaciones informáticas, los expertos descubrieron que las moléculas de agua pueden existir en forma lineal, con el átomo de oxígeno colocado entre los dos átomos de hidrógeno en línea recta, algo que desafía por completo la creencia desde hace muchas décadas, de que las moléculas de agua aparecen siempre dobladas y abre una nueva ventana a profundizar en el verdadero comportamiento y propiedades de este misterioso e importante compuesto que es el agua.
El experimento
Para hacer su descubrimiento, los investigadores utilizaron una versión mejorada de una técnica de radiación láser llamada generación de frecuencia suma vibratoria (VSFG), que mide las vibraciones moleculares en las escalas más pequeñas con una precisión impresionante, lo que permitió ver si los iones en la superficie estaban cargados positivamente (cationes) o negativamente (aniones). La disposición molecular informa cómo reaccionarán con lo que les rodea.
"Este tipo de interfaces se encuentran en todas partes del planeta, por lo que estudiarlas no sólo ayuda a nuestra comprensión fundamental, sino que también puede conducir a mejores dispositivos y tecnologías", explicó el físico molecular Mischa Bonn del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros. "Estamos aplicando estos mismos métodos para estudiar interfaces sólido/líquido, que podrían tener aplicaciones potenciales en baterías y almacenamiento de energía".
Las revelaciones de este estudio son nada menos que revolucionarias. Contrariamente a la creencia arraigada de que los iones forman una doble capa eléctrica, orientando las moléculas de agua en una sola dirección, la investigación demuestra un escenario completamente diferente. Tanto los iones cargados positivamente (cationes) como los iones cargados negativamente (aniones) se agotan en la interfaz agua/aire. Es más, los cationes y aniones podían orientar las moléculas de agua tanto hacia arriba como hacia abajo, algo que choca frontalmente con los modelos existentes.
"Nuestro trabajo demuestra que la superficie de soluciones de electrolitos simples tiene una distribución de iones diferente a la que se pensaba anteriormente", aclaró Yair Litman del Departamento de Química Yusuf Hamied, coprimer autor del estudio. "El subsuelo enriquecido en iones determina la organización de la interfaz: en la parte superior hay algunas capas de agua pura, luego una capa rica en iones, seguida por la solución salina a granel".
"Este artículo muestra que combinar HD-VSFG de alto nivel con simulaciones es una herramienta invaluable que contribuirá a la comprensión a nivel molecular de las interfaces líquidas", apuntó . Kuo-Yang Chiang del Instituto Max Planck y también coautor del estudio.
En resumen, esta investigación supone un cambio de paradigma en los modelos de química atmosférica y en otra serie de aplicaciones. Y será necesario cambiar los libros de texto tras este hallazgo.
Referencias:
- Kuo-Yang Chiang et al, Surface stratification determines the interfacial water structure of simple electrolyte solutions, Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-023-01416-6. www.nature.com/articles/s41557-023-01416-6
- Ball, P. (2008). Water as an active constituent in cell biology.. Chemical reviews, 108 1, 74-108 . https://doi.org/10.1021/CR068037A.
