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| Crédito de la imagen: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory. |
Un equipo internacional de físicos experimentales de Estados Unidos y Suecia ha realizado la primera observación directa de cómo los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua tiran y empujan a las moléculas vecinas cuando se excitan con luz láser.
Cada molécula de agua contiene un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, y una red de enlaces de hidrógeno entre los átomos de hidrógeno con carga positiva de una molécula y los átomos de oxígeno con carga negativa de las moléculas vecinas las mantiene unidas.
Esta intrincada red es la fuerza motriz de muchas de las inexplicables propiedades del agua, pero hasta hace poco, los físicos no podían observar directamente cómo interactúa una molécula de agua con sus vecinas.
"La baja masa de los átomos de hidrógeno acentúa su comportamiento cuántico ondulatorio", afirma la Dra. Kelly Gaffney, física del Instituto de Pulso de Stanford en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC.
"Este estudio es el primero que demuestra directamente que la respuesta de la red de enlaces de hidrógeno a un impulso de energía depende críticamente de la naturaleza mecánica cuántica de cómo están espaciados los átomos de hidrógeno, lo que se ha sugerido desde hace tiempo como responsable de los atributos únicos del agua y su red de enlaces de hidrógeno."
Hasta ahora, realizar esta observación era un reto porque los movimientos de los enlaces de hidrógeno son muy pequeños y rápidos.
El nuevo experimento superó ese problema utilizando el MeV-UED de SLAC, una "cámara de electrones" de alta velocidad que detecta los sutiles movimientos moleculares mediante la dispersión de un potente haz de electrones en las muestras.
Los autores crearon chorros de agua líquida de 100 nm de grosor y pusieron a vibrar las moléculas de agua con luz láser infrarroja.
A continuación, lanzaron a las moléculas pulsos cortos de electrones de alta energía procedentes del MeV-UED. Esto generó instantáneas de alta resolución de la estructura atómica cambiante de las moléculas que encadenaron en una película en stop-motion de cómo la red de moléculas de agua respondía a la luz.
Las instantáneas, que se centraron en grupos de tres moléculas de agua, revelaron que cuando una molécula de agua excitada empieza a vibrar, su átomo de hidrógeno atrae a los átomos de oxígeno de las moléculas de agua vecinas antes de alejarlos con su nueva fuerza, ampliando el espacio entre las moléculas.
"Aunque el llamado efecto cuántico nuclear se ha considerado la base de muchas de las extrañas propiedades del agua, este experimento es la primera vez que se observa directamente", afirma el profesor Anders Nilsson, investigador de la Universidad de Estocolmo.
"Durante mucho tiempo, los investigadores han intentado comprender la red de enlaces de hidrógeno mediante técnicas de espectroscopia", dijo el profesor Jie Yang, investigador de la Universidad de Tsinghua.
"Lo bueno de este experimento es que por primera vez hemos podido observar directamente cómo se mueven estas moléculas".
Fuentes, créditos y referencias:
Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03793-9