De izquierda a derecha: René Fábregas y Gabriel Gomila (IBEC)
En un artículo publicado hoy en la revista Science, los investigadores revelan que cuando está en capas delgadas, el agua pierde su polarizabilidad, quedando eléctricamente ‘muerta’.
La investigación, liderada por la Dra. Laura Fumagalli y el Premio Nobel en Física Prof. Andre Geim, ambos del National Graphene Institute en la Universidad de Manchester, ha contado con la participación de Gabriel Gomila, investigador principal en el IBEC y Profesor en la Universidad de Barcelona, así como con un grupo del National Institute for Materials Science de Japón.
Utilizando técnicas nuevas, los investigadores pudieron medir por primera vez las propiedades dieléctricas del agua con un grosor de solo unas pocas moléculas, y demostraron que estas capas de agua de grosor atómico cerca de superficies sólidas no responden a los campos eléctricos.
El hallazgo tiene implicaciones muy importantes para la comprensión de muchos fenómenos en los que el agua está involucrada, incluidos los que tienen lugar en todos los seres vivos.
Durante muchas décadas, los científicos habían intentado sin éxito averiguar cómo se comporta el agua a escala microscópica en las inmediaciones de otras sustancias, superficies sólidas y macromoléculas. «Todas las superficies están cubiertas por una capa de agua de solo unos pocos átomos de grosor», dice la Dra. Fumagalli, autora principal de artículo. «No podemos verla, pero está ahí, y su naturaleza ha sido debatida durante casi un siglo».
Hasta ahora, se suponía que esta agua superficial se comportaba de manera diferente al agua normal, famosa por su constante dieléctrica anómalamente alta. Se pronosticó que estas capas finas de agua exhibirían una respuesta eléctrica reducida, pero se desconocía su valor -siendo un tema controvertido en la química física moderna.
A fin de resolver el debate, los colaboradores tuvieron que desarrollar nuevas herramientas para medir la constante dieléctrica en una escala muy pequeña. «Para estudiar las propiedades de estas capas de agua tan finas, uno tiene que deshacerse de los efectos del resto de moléculas de agua que domina el comportamiento general», comenta el profesor Gomila, que lidera el grupo Caracterización bioeléctrica a la nanoescala del IBEC.
Los científicos lo llevaron a cabo creando canales especiales que tenían solo algunos angstroms de tamaño (un angstrom es una décima de nanómetro) y que acomodaban solo unas pocas capas de agua, y luego usaron una técnica de medida nueva capaz de sondear la constante dieléctrica del agua dentro de los nanocanales.
Para su sorpresa, detectaron que la respuesta eléctrica del agua confinada no solo estaba debilitada, sino que estaba completamente ausente. En otras palabras, el agua dentro de los nanocanales estaba eléctricamente «muerta», con sus dipolos inmovilizados e incapaces de detectar un campo eléctrico externo. Este resultado contrasta con el comportamiento del agua en grandes volúmenes, cuyas moléculas tienen la libertad de alinearse fácilmente a lo largo de los campos eléctricos. El grosor de la capa insensible a los campos eléctricos donde se realizaron las observaciones resultó ser de menos de un nanómetro -de dos a tres moléculas de agua de grosor.
«Esta anomalía no es solo una curiosidad académica, sino que tiene claras implicaciones en muchos campos, y en las ciencias de la vida en particular», dice el profesor Andre Geim, que recibió el Premio Nobel de Física en 2010. «Las interacciones eléctricas con moléculas de agua juegan un papel importante en la formación de moléculas biológicas como las proteínas, por lo que nuestros resultados pueden ayudar a mejorar la comprensión del papel del agua en los procesos tecnológicos, y por qué es tan crucial para la vida».
El trabajo ha recibido el apoyo del Engineering and Physical Sciences Research Council, la Lloyd’s Register Foundation, la Royal Society, Graphene Flagship, el European Research Council, el Ministerio de Industria, Economia y Competitividad (MINECO) y el ICREA Academia Award.
L. Fumagalli, A. Esfandiar, R. Fabregas, S. Hu, P. Ares, A. Janardanan, Q. Yang, B. Radha, T. Taniguchi, K. Watanabe, G. Gomila, K. S. Novoselov, A. K. Geim (2018). Anomalously low dielectric constant of confined water. Science, 22 Jun 2018: Vol. 360, Issue 6395, pp. 1339-1342. DOI: 10.1126/science.aat4191
