Vea También
 |
| La estudiante de doctorado Eksha Chaudhary con el equipo de espectroscopia vibracional correlacionada. Crédito: Jamani Caillet |
El agua es fundamental para la vida, y en el corazón de sus propiedades únicas se encuentran los enlaces de hidrógeno, complejas interacciones entre moléculas de H2O que crean una red dinámica en 3D. A pesar de su importancia, los enlaces de hidrógeno aún no se conocen del todo. Sylvie Roke y su equipo de la EPFL han desarrollado una técnica innovadora, la espectroscopia vibracional correlacionada (CVS)Por sus siglas en inglés, para arrojar luz sobre estos escurridizos enlaces.
Los enlaces de hidrógeno se forman cuando los átomos de hidrógeno y oxígeno de las moléculas de agua comparten una carga electrónica. Esta interacción da lugar a una red tridimensional que confiere al agua líquida sus características distintivas. Tradicionalmente, los estudios se han basado en simulaciones teóricas para explorar estos fenómenos cuánticos, pero el equipo de Roke ha adoptado un enfoque más directo.
La CVS permite a los científicos distinguir entre moléculas con enlaces de hidrógeno (que interactúan) y moléculas que no interactúan, algo que los métodos anteriores no conseguían y que daba lugar a mediciones mixtas y menos precisas. Las técnicas estándar de espectroscopia detectan la dispersión de la luz láser debida a las vibraciones moleculares, pero la CVS va más allá al captar el espectro vibracional único de cada tipo de molécula. Un pico crítico de este espectro corresponde al movimiento de las moléculas de agua a lo largo de los enlaces de hidrógeno, lo que permite medir directamente la carga electrónica compartida y la fuerza de los enlaces.
Para lograr esta diferenciación, los investigadores utilizaron pulsos de láser de femtosegundo en el espectro infrarrojo cercano para iluminar el agua líquida. Estas ráfagas de luz ultracortas indujeron minúsculas oscilaciones de carga y desplazamientos atómicos, dando lugar a la emisión de luz visible. El patrón de dispersión de la luz emitida proporcionó información sobre la organización espacial de las moléculas, mientras que el color de los fotones indicaba desplazamientos atómicos dentro de las moléculas y entre ellas.
Roke explicó: «Los experimentos típicos colocan el detector espectrográfico en un ángulo de 90 grados respecto al haz láser entrante, pero nos dimos cuenta de que podíamos sondear moléculas interactuantes ajustando la posición del detector y registrando espectros utilizando combinaciones específicas de luz polarizada. Este método nos permite crear espectros distintos tanto para las moléculas que no interactúan como para las que lo hacen».
El equipo realizó experimentos CVS adicionales para examinar los efectos cuánticos electrónicos y nucleares dentro de las redes de enlaces de hidrógeno. Al alterar el pH del agua -añadiendo iones de hidróxido para hacerla más básica o protones para aumentar la acidez- pudieron observar el impacto en la dinámica de los enlaces de hidrógeno. El estudiante de doctorado Mischa Flór, primer autor del artículo, señaló: «Los iones hidróxido y los protones participan en los enlaces H, por lo que cambiar el pH altera la reactividad del agua. El CVS nos permite cuantificar la carga extra que los iones de hidróxido donan a las redes de enlaces H (8%) y la carga que los protones aceptan (4%), mediciones que antes eran inalcanzables».
Este método innovador, validado por cálculos teóricos, puede aplicarse más allá del agua a cualquier material. Se están realizando experimentos para utilizar el CVS en la caracterización de diversas soluciones, como las que contienen electrolitos, azúcares, aminoácidos, ADN o proteínas. Roke destacó: «La capacidad de cuantificar directamente la fuerza de los enlaces H es una herramienta poderosa para comprender los detalles a nivel molecular de cualquier solución. El CVS puede aportar información valiosa sobre otros líquidos, sistemas y procesos».
El trabajo de Roke y su equipo supone un avance significativo en nuestra comprensión de los enlaces de hidrógeno, con implicaciones que se extienden a numerosos campos científicos.