24.01.2023 - New York University

Simulaciones y experimentos revelan detalles sin precedentes sobre el movimiento del agua en el agua salada

Los investigadores captaron una dinámica extremadamente rápida

En las soluciones de agua salada, las moléculas de agua se mueven rápidamente alrededor de los iones de sal a una escala de más de un billón de veces por segundo, según los experimentos y simulaciones realizados por científicos de la Universidad de Nueva York y la Sorbona.

"Las soluciones salinas son más de lo que parece", afirma Alexej Jerschow, profesor del Departamento de Química de la Universidad de Nueva York y uno de los autores principales del estudio. "Esto se puso de manifiesto cuando medimos y modelizamos la rapidísima dinámica de los iones de cloruro sódico y las moléculas de agua que los rodean".

Los hallazgos, publicados en Nature Communications, permitirán a los investigadores construir modelos más fiables para predecir la dinámica de los iones, lo que podría utilizarse en diversos ámbitos científicos, desde la mejora de las baterías recargables hasta las resonancias magnéticas.

Los iones son omnipresentes y fundamentales para la vida. Muchos iones, como el sodio y el potasio, están omnipresentes en el cuerpo humano y determinan la viabilidad celular, la señalización nerviosa y la integridad estructural de los tejidos. La interacción de los iones con los disolventes también desempeña un papel fundamental; por ejemplo, las baterías recargables se basan en el movimiento de los iones a través de soluciones electrolíticas.

Los iones de una solución acuosa suelen estar rodeados de cuatro a seis moléculas de agua, pero no se sabe bien hasta qué punto estas moléculas se mueven como una unidad ni cuánto movimiento experimentan las moléculas de agua. Los modelos utilizados hasta ahora no han sido adecuados para captar el movimiento concertado entre el agua y los iones.

Para estudiar el movimiento de las moléculas de sal y agua, los investigadores utilizaron la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), una herramienta versátil que se emplea habitualmente para determinar la estructura de las moléculas, y combinaron los datos experimentales con simulaciones informáticas detalladas que pueden modelizar la dinámica en torno a los iones salinos a escala atómica.

Tras analizar el agua salada en una amplia gama de concentraciones y temperaturas, y combinar datos experimentales y simulaciones por ordenador, los investigadores observaron que las moléculas de agua se mueven alrededor de los iones de sodio y cloruro a un ritmo extremadamente rápido: más de un billón de veces por segundo. Además, hasta ahora se suponía que los iones se movían junto con las moléculas de disolvente que los rodeaban como una unidad, pero el experimento demostró que no era así, sino que las moléculas de agua se movían mucho más deprisa que el complejo ión-agua.

"Encontramos una excelente concordancia entre el experimento y las simulaciones, lo que nos permite construir modelos fiables de la dinámica de los iones", afirma Jerschow.

Benjamin Rotenberg, de la Universidad de la Sorbona y el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) de Francia, y otro de los autores principales del estudio, afirma: "Ahora nos estamos centrando en electrolitos más complejos y en lo que ocurre cerca de las superficies sólidas, y la combinación de experimentos y simulaciones volverá a ser esencial para avanzar".

"Anticipamos que este trabajo puede aportar conocimientos en muchas áreas -desde la medicina hasta el almacenamiento de energía- que se basan en una buena comprensión de la dinámica de los iones en solución", añadió Jerschow.

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