Una sola molécula da un gran salto en la comprensión de los dos tipos de agua
"Dado que el agua desempeña un papel tan importante en la química y la biología, e incluso en la comprensión de nuestro universo, esperamos que nuestros hallazgos tengan una amplia repercusión"
Desempeña un papel fundamental en la existencia humana y es uno de los principales componentes de nuestro universo, pero todavía hay cosas que no entendemos sobre el agua. Para subsanar estas lagunas, un equipo de colaboración del Instituto de Ciencias Industriales, la Universidad de Tokio, la Universidad de Kioto y la Universidad de Tohoku investigó el transporte de electrones a través de una única molécula de agua en una jaula de C60. Sus resultados se publican en Nano Letters.
Un equipo dirigido por investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio utiliza una sola molécula de agua en una jaula de C60 para investigar la mecánica cuántica.
Institute of Industrial Science, the University of Tokyo
Los sistemas simples suelen ser el mejor punto de partida para determinar información compleja. Una sola molécula de agua es uno de esos sistemas. Formada por sólo tres átomos, constituye un modelo excelente para establecer información mecánica cuántica.
La introducción de una molécula de agua en una jaula de C60 -una molécula con forma de balón de fútbol formada íntegramente por átomos de carbono- da lugar a H2O@C60 y es una forma excelente de aislar el agua para su investigación. Los investigadores lo consiguieron mediante "cirugía molecular", que consiste en abrir la jaula, inyectar agua y volver a cerrarla.
El H2O@C60 se utilizó entonces como transistor de molécula única (SMT) montando una molécula de H2O@C60 en el pequeñísimo hueco -menos de 1 nm- entre dos electrodos de oro. Como la corriente eléctrica pasa entonces sólo a través de la molécula aislada, el transporte de electrones puede estudiarse con gran especificidad.
Se generó un mapa de conductancia, también conocido como "diagrama de estabilidad de Coulomb", para el SMT de H2O@C60. En él se observaron múltiples estados excitados inducidos por el efecto túnel para la molécula de agua. En cambio, el diagrama de estabilidad de Coulomb de un SMT de jaula de C60 vacía sólo mostraba dos estados excitados.
"Debido a que contiene dos átomos de hidrógeno, el agua tiene dos estados de espín nuclear diferentes: orto y paraagua. En el agua orto, los espines nucleares del hidrógeno están en la misma dirección, mientras que en el agua para son opuestos", explica el autor principal del estudio, Shaoqing Du. "Entender la transición entre estos dos tipos de agua es un área importante de investigación".
Los investigadores midieron los espectros de tunelización del sistema H2O@C60 y, comparando los resultados con los cálculos teóricos, pudieron atribuir los picos de conductancia medidos a las excitaciones rotacionales y vibracionales de la molécula de agua. También investigaron el H2O@C60 mediante espectroscopia de terahercios y los resultados coincidieron con los datos de la espectroscopia de efecto túnel.
Ambas técnicas mostraron excitaciones rotacionales cuánticas del orto y el paraagua simultáneamente. Esto demuestra que la única molécula de agua hizo la transición entre los dos isómeros nucleares (orto y paraagua) dentro del marco de tiempo del experimento, que fue de aproximadamente un minuto.
"Nuestros hallazgos suponen una importante contribución a la comprensión de la fluctuación orto-para en las moléculas de agua", afirma el autor correspondiente del estudio, Kazuhiko Hirakawa. "Dado que el agua desempeña un papel tan importante en la química y la biología, e incluso en la comprensión de nuestro universo, esperamos que nuestros hallazgos tengan un amplio impacto".
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