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  • 22/01/2019

Física

El cauce de agua más somero solo tiene una molécula de grosor

Un canal delgadísimo le exige al agua que pasa por él grandes dislocaciones. Para fluir por esa conducción, el líquido se transforma en un peculiar hielo bidimensional.

Science

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Se han construido unos canales artificiales que actúan de manera similar a los de las proteínas acuaporinas (aquí, la acuaporina 1), aunque su estructura, muy simple, no se parezca en absoluto a la de una proteína [Vossman].

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Un grupo de investigadores, dirigido por uno de los descubridores del grafeno, el premio Nobel Andre K. Geim, ha creado unas conducciones de agua que apenas si son más gruesas que una molécula de agua; y por lo tanto, solo las moléculas de agua pueden pasar por ellas. Lo explican en Science. Hasta ahora, solo había conseguido algo así la naturaleza misma: la luz de unos canales abiertos en el centro de unas proteínas de la membrana celular, las acuaporinas, es tan diminuta que el agua pasa por ellos, pero no las sales disueltas.

Construir artificialmente una estructura así resultaba antes de este logro demasiado difícil. El nuevo avance se basa precisamente en el grafeno descubierto por Geim: unas tiras paralelas de justo un solo átomo de espesor del alótropo del carbono separan, a una escala atómica, dos planos cristalinos de grafito o nitruro de boro. Entre las tiras espaciadoras de grafito se forman así canales tan altos como el grafeno es grueso: unos 0,3 nanómetros. Las moléculas del agua pasan por ahí, pero las sales que esta lleve disueltas, no.

Los canales tienen unos 130 nanómetros de ancho. Para pasar por esa rendija el agua ha de adoptar un estado exótico. Se dispone conforme a una estructura casi bidimensional, como el propio grafeno, y ordenada casi con la misma precisión que este: el «hielo cuadrado». El agua se dispone en los canales de la construcción de Geim en la forma de una banda de moléculas con simetría cuadrática. Las sales y otras sustancias no pueden atravesar  el canal. Sus iones están rodeados de gruesas cubiertas de moléculas de agua cuyo espesor es el doble de los canales de Geim.

Cabe suponer que las moléculas sin carga tampoco podrían abrirse paso fácilmente: deberían romper la retícula de la estructura del hielo, lo que gastaría mucha energía. Hay una única sustancia que no se deja detener: los iones de hidrógeno se mueven de molécula en molécula por medio del mecanismo de Grotthuss, y de esa forman van avanzando a través de la capa bidimensional de agua.

Que la singular construcción de Geim demuestre tener alguna importancia práctica no es, sin embargo, previsible. Su grupo sugiere una versión a mayor escala para la desalación y obtención de agua potable. Pero el hielo se movería presumiblemente demasiado despacio a través del canal, y el proceso gastaría demasiada energía y tardaría demasiado.

La construcción promete, en cambio, una interesante forma de ver el comportamiento del agua en condiciones exóticas: dispuesta cuasibidimensionalmente, pierde muchas de sus propiedades, que en condiciones normales tan especial la hacen.

Lars Fischer / spektrum.de

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Spektrum der Wissenschaft.

Referencia: «Complete steric exclusion of ions and proton transport through confined monolayer water», de K. Gopinadhan et al. en Science, 11 de enero de 2019, vol. 363, núm. 6423, págs. 145-148; la prepublicación se puede leer en arXiv:1811.09227 [cond-mat.mes-hall].

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