El agua es un compuesto abundante y esencial, que se encuentra en todas partes de la Tierra. Sin embargo, a pesar de su familiaridad y su estructura simple, el agua presenta muchas propiedades físicas inusuales. Desde hace más de un siglo, los científicos se han volcado en el estudio del agua, intentando interpretar mejor su estructura. Un equipo internacional de investigadores, dirigido por un académico de la Universidad de Hiroshima, ha desarrollado un procedimiento que permite reproducir la característica del doble pico de los espectros de emisión de rayos X (XES) en el agua líquida.
El estudio, dirigido por Osamu Takahashi, profesor asociado de la Facultad de Ciencias Avanzadas e Ingeniería de la Universidad de Hiroshima, ayuda a avanzar en la comprensión de la estructura del agua y se publica el 25 de febrero en Physical Review Letters.
A lo largo de los años, cuando los científicos han trabajado para comprender mejor la estructura del agua líquida, algunos han estudiado el agua utilizando un modelo de dos estructuras. Otros científicos, en una amplia gama de campos, han utilizado un modelo de líquido uniforme y continuo. El XES ha demostrado ser una herramienta útil para los investigadores que estudian sustancias cuyas características no son homogéneas.
Durante más de una década, los científicos han debatido cómo interpretar los espectros XES del agua líquida. Para resolver este problema, el equipo de investigación realizó cálculos de dinámica molecular para crear las estructuras modelo del agua líquida. Su siguiente paso fue estimar los espectros XES del agua líquida, utilizando los primeros principios de los cálculos de la mecánica cuántica.
El equipo fue capaz de reproducir teóricamente la característica doble 1b1, presente en la espectroscopia de emisión de rayos X del agua líquida. Exploraron diferentes efectos, como la geometría y la dinámica, para determinar la forma de los espectros XES.
Adoptando simulaciones clásicas de dinámica molecular, el equipo pudo construir la estructura del agua en la fase líquida. En estas simulaciones, los investigadores trabajaron en varios puntos de temperatura con la longitud de los enlaces y los ángulos de las moléculas de agua fijos. En los espectros que calcularon, los investigadores pudieron reproducir las características, como los picos dobles del estado 1b1, que habían sido observadas previamente por otros científicos en los espectros experimentales de XES.
Para entender mejor las características que veían, el equipo de investigación clasificó los espectros XES que calcularon basándose en los diferentes tipos de enlaces de hidrógeno. Observaron la característica del doble pico en los espectros XES en todos los diferentes tipos de enlaces de hidrógeno que estudiaron.
Tras examinar los espectros relacionados con los enlaces de hidrógeno, el equipo estudió el efecto de los modos vibracionales excitados térmicamente en los espectros XES. Obtuvieron nueve modos vibracionales independientes y estudiaron sus efectos en los espectros.
Los investigadores lograron reproducir con éxito los espectros XES del agua líquida examinando el efecto de los modos vibracionales completos, el estiramiento O-H, la flexión y los modos rotacionales. Explicaron tanto la dependencia de la temperatura como la de los isótopos examinando la configuración de los enlaces de hidrógeno alrededor de la molécula de agua excitada y la dinámica inducida por los agujeros del núcleo. "Nuestro procedimiento es general y puede aplicarse a varios sistemas relacionados con el fenómeno, incluida el agua líquida", dijo Takahashi.
El equipo espera que su investigación pueda ayudar a resolver algunos de los antiguos debates que rodean la interpretación de la estructura del agua líquida. De cara al futuro, los investigadores ven varias aplicaciones potenciales para su procedimiento. "El desarrollo de nuevos materiales, como los electrodos utilizados en las baterías, los biomateriales, como los vasos sanguíneos artificiales, y los polímeros funcionales, como las membranas de tratamiento del agua, pueden ser proyectos fascinantes, que están relacionados con la estructura del agua líquida", dijo Takahashi.
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