El descubrimiento de la molécula de agua contradice los modelos de los libros de texto

Una investigación pionera muestra que las moléculas de agua en la superficie del agua salada se comportan de manera diferente a lo que se pensaba anteriormente, lo que brinda nuevas perspectivas para la ciencia y la tecnología ambientales.

Será necesario volver a dibujar los modelos de los libros de texto después de que un equipo de investigadores descubriera que las moléculas de agua en la superficie del agua salada están organizadas de manera diferente a lo que se pensaba anteriormente.

Muchas interacciones importantes relacionadas con el clima y los procesos ambientales ocurren cuando las moléculas de agua interactúan con el aire. Por ejemplo, la evaporación de los océanos juega un papel importante en la química atmosférica y la ciencia climática. Comprender estas respuestas es fundamental para los esfuerzos por mitigar el impacto humano en nuestro planeta.

La distribución de iones en la interfaz aire-agua puede afectar los procesos atmosféricos. Sin embargo, hasta la fecha se ha discutido ampliamente una comprensión precisa de las interacciones microscópicas en estas importantes interfaces.

Representación gráfica de la interfaz líquido/aire en una solución de cloruro de sodio. Crédito: Yair Litman

Técnicas de búsqueda innovadoras

En una investigación publicada hoy (15 de enero) en la revista química de la naturalezaInvestigadores de la Universidad de Cambridge y del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Alemania han demostrado que los iones y las moléculas de agua en la superficie de la mayoría de las soluciones de agua salada, conocidas como electrolitos, están organizadas de una manera muy diferente a la que se entiende tradicionalmente. Esto podría conducir a mejores modelos de química atmosférica y otras aplicaciones.

Los investigadores se propusieron estudiar cómo las moléculas de agua se ven afectadas por la distribución de iones en el punto específico donde se encuentran el aire y el agua. Tradicionalmente, esto se hace mediante una técnica llamada Generación de suma de frecuencias vibratorias (VSFG). Utilizando la tecnología de radiación láser, es posible medir directamente las vibraciones moleculares en estas interfaces clave. Sin embargo, aunque es posible medir la intensidad de las señales, esta técnica no mide si las señales son positivas o negativas, lo que ha dificultado la interpretación de los resultados en el pasado. Además, el uso exclusivo de datos experimentales puede dar resultados ambiguos.

El equipo superó estos desafíos utilizando una forma más avanzada de VSFG, llamada VSFG con detección heterodina (HD), para estudiar diferentes soluciones de electrolitos. Luego desarrollaron modelos informáticos avanzados para simular las fachadas en diferentes escenarios.

Revolucionando los modelos tradicionales

Los resultados combinados mostraron que tanto los iones cargados positivamente, llamados cationes, como los iones cargados negativamente, llamados aniones, se agotan en la interfaz agua/aire. Los cationes y aniones en los electrolitos simples dirigen las moléculas de agua hacia arriba y hacia abajo. Esto es lo opuesto a los modelos de los libros de texto, que enseñan que los iones forman una doble capa eléctrica y dirigen las moléculas de agua en una sola dirección.

El coprimer autor, el Dr. Yair Litman, del Departamento de Química de Yosef Hamid, dijo: «Nuestro trabajo muestra que la superficie de soluciones de electrolitos simples tiene una distribución iónica diferente de lo que se pensaba anteriormente y que la superficie subyacente enriquecida con iones determina cómo se forma la interfaz». «Está organizado. En la parte superior hay algunas capas de agua «. Pura, luego una capa rica en iones y finalmente la solución salina a granel.

El coautor principal, el Dr. Kuo Yangqiang, del Instituto Max Planck, dijo: «Este artículo muestra que la combinación de HD-VSFG de alto nivel y simulaciones es una herramienta invaluable que contribuirá a la comprensión a nivel molecular de las interfaces líquidas».

El profesor Mischa Poon, que dirige el Departamento de Espectroscopia Molecular del Instituto Max Planck, añadió: «Este tipo de interfaces se encuentran en todas partes del planeta, por lo que estudiarlas no sólo ayuda a nuestra comprensión básica, sino que también podría conducir a mejores dispositivos y tecnologías». .” Estos son los mismos métodos para estudiar interfaces sólido/líquido, que podrían tener aplicaciones potenciales en baterías y almacenamiento de energía.

Referencia: “La estratificación superficial determina la estructura acuosa superficial de soluciones de electrolitos simples” 15 de enero de 2024, química de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41557-023-01416-6