La estructura del agua: la entropía determina si los iones se adhieren
La microscopía de fuerza atómica y las simulaciones de dinámica molecular sientan las bases para predicciones más precisas en la investigación de baterías y membranas
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Las moléculas de agua no se arremolinan simplemente en desorden, sino que pueden formar ciertas estructuras favorecidas. Este hecho científico se presenta a menudo de forma totalmente acientífica, por ejemplo cuando se habla de una supuesta "memoria del agua" o de "cúmulos de agua" como posible explicación de la homeopatía, por ejemplo.
Todo esto ha sido refutado, pero aunque el agua no sea un almacén mágico de información, su capacidad para formar estructuras a corto plazo puede tener consecuencias importantes. Así lo demuestra ahora un estudio realizado por la Universidad Técnica de Viena en colaboración con la Universidad de Viena y la Universidad de Oslo en el marco del Cluster de Excelencia "MECS", financiado por la FWF: los investigadores estudiaron la facilidad con que las partículas cargadas pueden ser retenidas en una superficie, una cuestión importante en muchos ámbitos, como la investigación de baterías, pilas de combustible y membranas biológicas. Los nuevos resultados lo demuestran: Esto sólo puede entenderse si se tienen en cuenta las estructuras que forma el agua a escala de nanosegundos.
Un ion rara vez viene solo
"Cuando los iones cargados positivamente en una solución acuosa se adhieren a una superficie cargada negativamente, esto parece muy sencillo desde el punto de vista físico", explica Markus Valtiner, del Instituto de Física Aplicada de la Universidad Técnica de Viena. "Las cargas eléctricas opuestas se atraen, por lo que la partícula se desplaza hacia la superficie. Pero en la realidad, las cosas son un poco más complicadas".
Las partículas cargadas no se mueven solas en el agua. Están rodeadas de moléculas de agua, y éstas pueden ordenarse de distintas maneras. El grado en que este orden es pronunciado depende de la partícula: "Los iones de litio, por ejemplo, son diminutos y pueden organizar el agua a su alrededor con mucha fuerza. Los iones de cesio, en cambio, son grandes y el efecto es mucho menor", explica Markus Valtiner.
Agua ordenada, pero sólo durante nanosegundos
Sin embargo, no hay que pensar en este orden como si se tratara de átomos ordenados en un cristal. "Este orden es de naturaleza estadística", explica Markus Valtiner. "Las moléculas de agua vibran continuamente, se mueven muy deprisa, se redistribuyen constantemente, formando enlaces débiles y volviéndolos a romper".
Esto significa que las moléculas de agua no son "almacenes de información", como a veces se presenta incorrectamente, sino que ejecutan una especie de "danza" alrededor del ion, y esta danza obedece a ciertas reglas. La danza del agua en torno a un ion de litio o de calcio es -estadísticamente hablando- en cierto sentido más organizada que la danza del agua en torno al ion de cesio.
Cuando los iones se desplazan a la superficie, llevan consigo esta danza del agua. Si el ion se adhiere, el agua que lo rodea se ve obligada a estructurarse de forma diferente a como lo haría en otras circunstancias.
"Los iones que ejercen una mayor influencia sobre las moléculas de agua circundantes crean más orden en el agua; termodinámicamente hablando, esto significa que crean un estado de menor entropía", explica Markus Valtiner. "Y cuanto menor es la entropía, menos probable es que ese estado surja por sí mismo. Por tanto, es menos probable que esos iones se acumulen directamente en la superficie".
Sin "memoria del agua" esotérica
El equipo de investigación combinó microscopía de fuerza atómica de alta resolución, simulaciones de dinámica molecular y mediciones espectroscópicas para medir estos efectos superficiales. El resultado fue un modelo termodinámico que ahora puede utilizarse para describir cuantitativamente la adsorción de partículas: Por primera vez se tienen en cuenta conjuntamente los distintos efectos: por un lado, la atracción electrostática, pero también la entropía, la probabilidad de orden y la interacción con las moléculas de agua circundantes.
Esto permite predecir qué iones se adherirán a una superficie y cómo se comportarán en ella, por ejemplo en baterías, electrodos, catalizadores o membranas biológicas. No sólo hay que tener en cuenta las cargas eléctricas, sino también el orden estadístico del agua.
"No se trata de una memoria mágica del agua, no tiene nada que ver con ideas esotéricas sobre la información del agua", subraya Markus Valtiner. "Se trata simplemente de un comportamiento dinámico muy interesante desde el punto de vista físico entre los distintos iones y las moléculas de agua que los rodean, y hemos encontrado un modelo cuantitativo que puede utilizarse para describir con precisión esta interacción".
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 Alemán se puede encontrar aquí.
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