08.09.2020 - Forschungsverbund Berlin e.V.

Cómo generar y dirigir electrones en el agua líquida

Resultados sorprendentes revelan un nuevo aspecto de los campos eléctricos extremadamente fuertes en el agua líquida

Las moléculas de agua sufren movimientos de titubeo ultrarrápidos a temperatura ambiente y generan campos eléctricos extremadamente fuertes en su entorno. Nuevos experimentos demuestran cómo en presencia de tales campos se generan y manipulan electrones libres en el líquido con la ayuda de un campo terráqueo externo.

La molécula de agua H2O muestra un momento de dipolo eléctrico debido a las diferentes densidades de electrones en los átomos de oxígeno (O) e hidrógeno (H) (Fig. 1a). Tales dipolos moleculares generan un campo eléctrico en el agua líquida. La intensidad de este campo fluctúa en una escala de tiempo de femtosegundos (1 femtosegundo = 10-15 segundos = una milmillonésima de una millonésima de segundo) y, durante cortos períodos, alcanza valores máximos de hasta 300 MV/cm (300 millones de voltios por cm, Fig. 1b). En un campo tan elevado, un electrón puede dejar su estado límite, un orbital molecular (Fig. 1b) y hacer un túnel a través de una barrera de energía potencial hacia el líquido vecino. Este evento representa un proceso de ionización mecánica cuántica. En equilibrio, el electrón regresa muy rápidamente a su estado inicial ya que el campo eléctrico fluctuante no tiene una dirección espacial preferente y, por lo tanto, el electrón no se aleja del lugar de ionización. Debido a la recombinación de carga altamente eficiente, el número de electrones no ligados (libres) sigue siendo extremadamente pequeño, en promedio menos de una mil millonésima parte del número de moléculas de agua.

Los investigadores del Max-Born-Institut de Berlín han demostrado ahora que un campo eléctrico externo con frecuencias en el rango de 1 terahercio (1 THz = 1012 Hz, aproximadamente 500 veces más alto que la frecuencia típica de un teléfono celular) aumenta el número de electrones libres hasta en un factor de 1000. El campo de THz tiene una intensidad máxima de 2 MV/cm, es decir, menos del 1% de la intensidad del campo fluctuante en el líquido. Sin embargo, el campo de THz tiene una dirección espacial preferente (Fig. 2). A lo largo de esta dirección, los electrones generados por el campo fluctuante se aceleran y alcanzan una energía cinética de aproximadamente 11 eV, el potencial de ionización de una molécula de agua. Este proceso de transporte suprime la recombinación de la carga en el lugar de ionización. Los electrones viajan a lo largo de una distancia de muchos nanómetros (1 nm = 10-9 m) antes de localizarse en un sitio diferente del líquido. Este último proceso causa fuertes cambios en la absorción y el índice de refracción del líquido (Fig. 2c) por lo que el comportamiento dinámico de los electrones puede seguirse con el método de la espectroscopia bidimensional de THz (Fig. 2a).

Estos sorprendentes resultados revelan un nuevo aspecto de los campos eléctricos extremadamente fuertes en el agua líquida, la aparición de eventos espontáneos de ionización en túnel. Tales eventos podrían jugar un papel importante en la auto-disociación de las moléculas de H2O en iones OH-- y H3O+. Además, los experimentos establecen un novedoso método para la generación, transporte y localización de cargas en líquidos con la ayuda de fuertes campos de THz. Esto permite manipular las propiedades eléctricas básicas de los líquidos.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Hechos, antecedentes, expedientes
  • agua
  • electrones
Más sobre Forschungsverbund Berlin
Más sobre MBI