Por primera vez, los científicos del Departamento de Energía Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC, La Universidad de Stanford y la Universidad de Estocolmo en Suecia observaron directamente cómo los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua tiran y empujan las moléculas de agua vecinas cuando se excitan con la luz láser.
exhibiciones de agua muchos comportamientos extraños. Los científicos todavía están luchando por explicar este comportamiento.
Este nuevo estudio revela efectos que pueden nutrir aspectos clave del origen microscópico de las extrañas propiedades del agua. También puede conducir a una mejor comprensión de cómo el agua ayuda a que las proteínas funcionen en los organismos vivos.
Anders Nilsson, profesor de física química en la Universidad de Estocolmo, dijo: “Aunque se ha planteado la hipótesis de que este llamado efecto cuántico nuclear está en el corazón de muchas de las extrañas propiedades del agua, este experimento marca la primera vez que se observa directamente. La pregunta es si esto efecto cuántico puede ser el eslabón perdido en los modelos teóricos que describen las propiedades anómalas del agua. «
El agua se compone de oxígeno, hidrógeno y una red de enlaces de hidrógeno entre átomos de hidrógeno cargados positivamente en una molécula y átomos de oxígeno cargados negativamente en moléculas vecinas que los mantienen unidos. Esta red muestra muchas de las propiedades inexplicables del agua.
Hasta ahora, no ha podido observar cómo una molécula de agua interactúa directamente con sus vecinas.
La colaboradora Kelly Gaffney, científica del Stanford Pulse Institute de SLAC, dijo: “La baja masa de átomos de hidrógeno acentúa su comportamiento de onda cuántica. Este estudio es el primero en demostrar 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 durante mucho tiempo para explicar los atributos únicos del agua y su red de enlaces de hidrógeno. «
Para el estudio, los científicos utilizaron MeV-USD de SLAC, una «cámara de electrones» de alta velocidad, para detectar movimientos moleculares mediante la dispersión de un potente haz de electrones fuera de las muestras. Los científicos han creado un grosor de 100 nanómetros. chorros de agua líquida– aproximadamente 1.000 veces más delgado que el ancho de un cabello humano – y hace que las moléculas de agua vibren con luz láser infrarroja. Luego explotaron las moléculas con pulsos cortos de electrones MeV-USD de alta energía.
Esto generó instantáneas de alta resolución de la estructura atómica cambiante de las moléculas, que unieron en una película de stop-motion de cómo la red de moléculas de agua respondía a la luz.
A través de estas instantáneas, los científicos pudieron ver la vibración de una molécula de agua excitada. También encontraron que el átomo de hidrógeno acerca a los átomos de oxígeno de las moléculas de agua vecinas antes de alejarlos con su nueva fuerza, expandiendo el espacio entre las moléculas.
Jie Yang, un ex científico de SLAC y ahora profesor en la Universidad de Tsinghua en China, dijo: “Durante mucho tiempo, los investigadores han intentado comprender la red de enlaces de hidrógeno mediante técnicas de espectroscopia. La belleza de este experimento es que, por primera vez, pudimos observar cómo estas moléculas se mueven directamente. «
Con el método, los científicos esperan obtener más información sobre la naturaleza cuántica de los enlaces de hidrógeno y su papel en las extrañas propiedades del agua. Los científicos también planean estudiar el papel fundamental que juegan estas propiedades en muchos procesos químicos y biológicos.
Xijie Wang, un científico distinguido del equipo de SLAC y colaborador de investigación, dijo: “Esto abrió una nueva ventana para estudiar el agua. Ahora que finalmente podemos ver el movimiento de los enlaces de hidrógeno, nos gustaría conectar estos movimientos con el panorama más amplio, lo 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. «
Referencia de la revista:
- Observación directa del fortalecimiento ultrarrápido de los enlaces de hidrógeno en agua líquida, Nature (2021). DUELE: 10.1038 / s41586-021-03793-9
