El descubrimiento de moléculas de agua contradice los modelos de los libros de texto

Los investigadores han revolucionado los modelos tradicionales de cómo se comportan las moléculas de agua en la superficie del agua salada, revelando nuevos conocimientos sobre la distribución y orientación de los iones. Este avance, logrado mediante técnicas avanzadas, tiene importantes implicaciones para la ciencia y la tecnología climáticas. Crédito: SciTechDaily.com

Una investigación innovadora muestra que las moléculas de agua en la superficie del agua salada se comportan de manera diferente a lo que se pensaba anteriormente, lo que ofrece nuevos conocimientos sobre la ciencia y la tecnología ambientales.

Será necesario rediseñar los modelos de los libros de texto después de que un equipo de investigadores descubriera que las moléculas de agua en la superficie del agua salada están organizadas de manera diferente a lo que se pensaba anteriormente.

Muchas reacciones importantes relacionadas con el clima y los procesos ambientales ocurren cuando 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. Comprender estas reacciones es crucial para los esfuerzos por mitigar el efecto humano en nuestro planeta.

La distribución de iones en la interfaz del aire y el agua puede afectar los procesos atmosféricos. Sin embargo, hasta ahora se ha debatido intensamente una comprensión precisa de las reacciones microscópicas en estas importantes interfaces.

Representación gráfica de la interfaz líquido/aire en una solución de cloruro de sodio. Crédito: Yair Litman

Técnicas de investigación innovadoras.

En un artículo publicado hoy (15 de enero) en la revista Química de la naturaleza, investigadores de la Universidad de Cambridge y del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Alemania muestran que los iones y las moléculas de agua en la superficie de la mayoría de las soluciones de agua salada, conocidas como soluciones de electrolitos, están organizadas de una manera completamente diferente a la que se entiende tradicionalmente. Esto podría conducir a mejores modelos de química atmosférica y otras aplicaciones.

Los investigadores decidieron estudiar cómo las moléculas de agua se ven afectadas por la distribución de iones en el punto exacto donde se encuentran el aire y el agua. Tradicionalmente, esto se ha hecho con una técnica llamada generación de frecuencia de suma vibratoria (VSFG). Con esta técnica de radiación láser, es posible medir las vibraciones moleculares directamente en estas interfaces clave. Sin embargo, aunque se puede medir la intensidad de las señales, la técnica no mide si las señales son positivas o negativas, lo que ha dificultado la interpretación de resultados anteriores. Además, utilizar únicamente datos experimentales puede proporcionar resultados ambiguos.

El equipo superó estos desafíos utilizando una forma más sofisticada de VSFG, llamada VSFG con detección heterodina (HD), para estudiar diferentes soluciones de electrolitos. Luego desarrollaron modelos computacionales avanzados para simular las interfaces en diferentes escenarios.

Revolucionando los modelos tradicionales

Los resultados combinados mostraron que tanto los iones cargados positivamente, llamados cationes, como los iones cargados negativamente, llamados aniones, se agotan en la interfaz agua/aire. Los cationes y aniones de los electrolitos simples orientan las moléculas de agua hacia arriba y hacia abajo. Esto es una inversión de los modelos de los libros de texto, que enseñan que los iones forman una doble capa eléctrica y orientan las moléculas de agua en una sola dirección.

El coautor principal, el Dr. Yair Litman, del Departamento de Química de Yusuf Hamied, dijo: «Nuestro trabajo demuestra que la superficie de soluciones de electrolitos simples tiene una distribución de iones diferente de lo que se pensaba anteriormente y que el subsuelo enriquecido con iones determina cómo se organiza la interfaz: en En la parte superior hay algunas capas de agua pura, luego una capa rica en iones y, finalmente, la solución salina a granel”.

El coautor principal, el Dr. Kuo-Yang Chiang, del Instituto Max Planck, dijo: «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».

El profesor Mischa Bonn, que dirige el departamento de Espectroscopía Molecular del Instituto Max Planck, añadió: “Este tipo de interfaces se producen en todo el planeta, por lo que estudiarlas no sólo ayuda a nuestra comprensión fundamental, sino que también podría conducir a mejores dispositivos y tecnologías. Estamos aplicando estos mismos métodos para estudiar interfaces sólido/líquido, que podrían tener aplicaciones potenciales en baterías y almacenamiento de energía”.

Referencia: “La estratificación de la superficie determina la estructura interfacial del agua a partir de soluciones de electrolitos simples” 15 de enero de 2024, Química de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41557-023-01416-6