Los científicos han capturado la "gravedad cuántica" entre las moléculas de agua vecinas: podría desentrañar el misterio de las extrañas propiedades del agua.

Según informes de medios extranjeros, el agua es el líquido más abundante pero menos conocido de la naturaleza. Muestra muchos comportamientos extraños que los científicos aún no pueden explicar. La mayoría de los líquidos se vuelven más densos a temperaturas más bajas, siendo el agua más densa a 39 grados Fahrenheit (justo por encima del punto de congelación). Esta es la razón por la que el hielo flota hasta la superficie de los vasos y el agua del lago se congela debajo de la superficie para que la vida marina pueda sobrevivir a los fríos meses de invierno.

El agua también tiene una tensión superficial inusualmente alta, que permite a los insectos caminar sobre su superficie, y una enorme capacidad de almacenamiento de calor, que permite que el océano mantenga una temperatura estable.

Ahora, un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía de EE. UU., la Universidad de Stanford y la Universidad de Estocolmo en Suecia han observado directamente por primera vez cómo los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua empujan y atraen a sus vecinos. agua cuando se excita con luz láser molecular. Sus hallazgos fueron publicados en la revista Nature el 25 de agosto, hora local. El estudio revela aspectos clave del origen microscópico que pueden sustentar las extrañas propiedades del agua y pueden conducir a una mejor comprensión de cómo el agua ayuda a las proteínas a funcionar en los organismos vivos.

"Si bien se ha planteado la hipótesis de que el llamado efecto cuántico nuclear está en el centro de muchas de las extrañas propiedades del agua, este experimento marca la primera vez que se observa directamente", dijo el coautor del estudio, Anders Nilsson, profesor de física y química en la Universidad de Estocolmo. "La pregunta es si este efecto cuántico podría ser el eslabón perdido en un modelo teórico que describe las propiedades inusuales del agua".

Cada molécula de agua contiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, y una molécula con una red. de enlaces de hidrógeno entre átomos de hidrógeno cargados positivamente y átomos de oxígeno cargados negativamente en moléculas adyacentes los mantiene unidos. Esta compleja red es la fuerza impulsora detrás de muchas de las características desconcertantes del agua, pero hasta hace poco, los investigadores no podían observar directamente cómo las moléculas de agua interactúan con sus vecinas.

“La baja masa de los átomos de hidrógeno resalta su comportamiento de onda cuántica”, dijo Kelly Gaffney, socia y científica del Stanford Pulse Institute de SLAC. "Este estudio es la primera demostración directa de que la respuesta de una red unida por enlaces de hidrógeno a los pulsos de energía depende de las propiedades mecánicas cuánticas del espacio entre los átomos de hidrógeno. Durante mucho tiempo se ha pensado que es responsable de las propiedades únicas del agua y su hidrógeno. red enlazada."

< Hasta ahora, hacer este tipo de observaciones ha sido un desafío porque el movimiento de los enlaces de hidrógeno es muy pequeño y rápido. Sin embargo, este experimento ahora utiliza el MeV-UED de SLAC para superar este problema. MeV-UED es una "cámara electrónica" de alta velocidad que detecta los movimientos sutiles de las moléculas dispersando un potente haz de electrones en una muestra.

El equipo creó un chorro de agua líquida de 100 nanómetros de espesor (aproximadamente 1.000 veces el ancho de un cabello humano) y utilizó un láser infrarrojo para hacer vibrar las moléculas de agua. Luego bombardearon estas moléculas con pulsos cortos de electrones de alta energía producidos por MeV-UED.

Esto produjo instantáneas de alta resolución de cambios en la estructura de moléculas y átomos que se unieron para formar una película stop-motion que mostraba la red de moléculas de agua reaccionando a la luz.

Centrándose en un grupo de tres moléculas de agua, estas instantáneas revelan que cuando una molécula de agua excitada comienza a vibrar, los átomos de hidrógeno acercan los átomos de oxígeno de las moléculas de agua vecinas y luego utilizan nuevos hallazgos para empujar la fuerza. Sepárelos para ampliar el espacio entre las moléculas.

“Los investigadores llevan mucho tiempo intentando utilizar la espectroscopia para comprender las redes de enlaces de hidrógeno”, afirmó Yang Jie, ex científico de SLAC y ahora profesor de la Universidad de Tsinghua. "La belleza de este experimento es que por primera vez podemos observar directamente cómo se mueven estas moléculas".

Los investigadores esperan utilizar este método para obtener información sobre la naturaleza cuántica de los enlaces de hidrógeno y su comportamiento en agua, sus extrañas propiedades y los papeles clave que desempeñan estas propiedades en muchos procesos químicos y biológicos.

“Esto realmente abre una nueva ventana para el estudio del agua”, afirmó Xijie Wang, científica de SLAC y coautora del artículo.

"Ahora que finalmente podemos ver el movimiento de los enlaces de hidrógeno, esperamos conectar estos movimientos con un panorama más amplio, que puede aclarar cómo el agua condujo al origen y la supervivencia de la vida en la Tierra e informar el desarrollo de métodos de energía renovable". /p>