Un equipo de científicos del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros (MPI-P) de Mainz (Alemania) y del Instituto FOM Amolf, de los Países Bajos, han caracterizado la dinámica estructural local del agua líquida, es decir, la rapidez con la que las moléculas de agua cambian su estado de unión.
Usando innovadora espectroscopía vibracional ultrarrápida, los investigadores muestran por qué el agua líquida es tan única en comparación con otros líquidos moleculares. El estudio ha sido publicado recientemente en la revista científica Nature Communications.
Con la ayuda de una novedosa combinación de experimentos láser ultrarrápidos, explica la nota de prensa del Max Planck, los científicos encontraron que las estructuras locales persisten en el agua durante más de un picosegundo (ps), la milésima parte de una mil millonésima de un segundo.
Esta observación cambia la percepción general del agua como disolvente. «El 71% de la superficie terrestre está cubierta de agua. Dado que la mayoría de las reacciones químicas y biológicas se producen en la tierra, en la interfase aire-agua de los océanos o en las nubes, los detalles de cómo se comporta el agua a nivel molecular son cruciales. Nuestros resultados muestran que el agua no puede ser tratada como un continuo, sino que existen estructuras locales específicas y probablemente muy importantes», dice Mischa Bonn, director del MPI-P.
Un líquido especial
El agua es un líquido muy especial con una dinámica extremadamente rápida. Las moléculas de agua serpentean y se agitan en escalas de tiempo de sub-picosegundos, que las hacen indistinguibles en este plazo de tiempo.
Si bien se sabe de la existencia de estructuras locales de muy corta vida -por ejemplo, dos moléculas de agua que están muy cerca entre sí, o que están muy alejadas-, se creía comúnmente que perdían la memoria de su estructura local en menos de 0,1 picosegundos.
La demostración de la existencia de estructuras locales de vida relativamente larga en el agua líquida se obtuvo mediante la medición de las vibraciones de los enlaces de oxígeno-hidrógeno (OH) en agua.
Para ello, el equipo de científicos utilizó espectroscopia infrarroja ultrarrápida, centrándose especialmente en las moléculas de agua que están unidas débilmente (o fuertemente) por hidrógeno a sus moléculas de agua vecinas.
Los científicos encontraron que las vibraciones viven mucho más tiempo (hasta alrededor de 1 ps) en las moléculas de agua con una gran separación, que en aquellas que están muy cerca (0,2 ps). En otras palabras, las moléculas de agua débilmente unidas permanecen débilmente unidas por un tiempo notablemente largo.
Referencia bibliográfica:
Sietse T. van der Post, Cho-Shuen Hsieh, Masanari Okuno, Yuki Nagata, Huib J. Bakker, Mischa Bonn, Johannes Hunger: Strong frequency dependence of vibrational relaxation in bulk and surface water reveals sub-picosecond structural heterogeneity. Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms9384.