Estructuras complejas del agua

Las primeras imágenes de dos iones de hidrógeno hidratados corroboran una teoría de décadas de antigüedad.

[Thomas Fuchs]

Para mejorar la eficiencia de la energía basada en el hidrógeno, desde la obtención de hidrógeno por electrólisis hasta las pilas de combustible de nueva generación, los científicos necesitan saber exactamente cómo se mueven los iones de hidrógeno en el agua.

Una molécula de agua neutra consta de dos átomos de hidrógeno enlazados a un único átomo de oxígeno, los cuales forman una estructura con un polo parcialmente positivo y otro negativo, como un imán. Si pudiera ampliarse lo suficiente la imagen de un vaso de agua, se observarían billones de moléculas de este tipo, junto con un exceso de átomos de hidrógeno que han perdido sus electrones (en otras palabras, protones). Desde hace 200 años, se ha especulado con que estos protones saltan de una molécula de agua a otra, uniéndose a la más cercana y desplazando uno de los protones que ya estuviera acoplado a ella. Este protón se transferiría entonces a una molécula vecina. Ahora, un equipo de científicos de Pekín ha obtenido por primera vez imágenes de estas partículas al microscopio, lo que ayudará a esclarecer cómo se producen dichos saltos.

Los modelos predecían que a menudo este proceso tiene lugar de dos formas. En la primera, un protón se une directamente a una sola molécula de agua, convirtiéndola en un ion positivo. Entonces, tres moléculas neutras de agua circundantes se orientan de modo que los polos parcialmente negativos estabilizan la carga. En la segunda opción, el protón adicional se sitúa entre los extremos negativos de dos moléculas de agua neutras, de modo que entre las dos comparten la carga positiva.

Los investigadores lograron confirmar estas orientaciones mediante microscopía de fuerza atómica, una técnica que mide la topografía de la superficie de una muestra por medio de la punta nanoscópica de una aguja especializada. Usando dicho instrumento, la química de la Universidad Normal de Pekín Jing Guo y sus colaboradores obtuvieron imágenes de una red de moléculas de agua congelada sobre una lámina de metal, que revelaban cómo los protones adicionales modificaban la red. El estudio se ha publicado en la revista Science.

Para detectar las dos configuraciones del agua se precisaron mediciones sumamente sensibles. «La posición de los protones a lo largo del enlace de hidrógeno difería solo en unos veinte picómetros», señala Guo, lo cual equivale a menos de la mitad del radio de un átomo de hidrógeno. «Nos entusiasma haber descifrado los aspectos subyacentes después de tantos esfuerzos.»

El equipo descubrió que estas dos estructuras se producían con frecuencias y proporciones diferentes según el tipo de metal sobre el que se congelara el agua. También utilizaron corrientes eléctricas para inducir que el agua alternara entre las distintas conformaciones. «Es muy sorprendente que puedan observar [directamente] estos fenómenos», comenta Thomas Kuhn, químico teórico de la Universidad de Paderborn, que no participó en la investigación. «Ello abre la puerta a estudiar los mecanismos que se encuentran detrás [de la generación de hidrógeno]», declara. «Y quizá de ahí surjan hallazgos interesantes.»

Puedes obtener el artículo en...

Los boletines de Investigación y Ciencia

Elige qué contenidos quieres recibir.

Responsable: Prensa Científica, S.A. Finalidad: enviarle por correo electrónico los boletines que haya solicitado recibir. Derechos: tiene derecho a acceder, rectificar y suprimir sus datos, así como a otros derechos, como se explica en la información adicional y detallada que puede consultar en nuestra Política de Privacidad.