Los científicos capturan un “tirón cuántico” entre moléculas de agua vecinas

Los investigadores han realizado la primera observación directa del movimiento atómico en moléculas de agua líquida que se han excitado con luz láser. Sus resultados revelan efectos que podrían respaldar el origen microscópico de las extrañas propiedades del agua. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

El trabajo arroja luz sobre la red de enlaces de hidrógeno que le da al agua sus extrañas propiedades, que juegan un papel vital en muchos procesos químicos y biológicos.

El agua es el líquido más abundante y menos conocido de la naturaleza. Exhibe muchos comportamientos extraños que los científicos aún luchan por explicar. Si bien la mayoría de los líquidos se vuelven más densos a medida que se enfrían, el agua es más densa a 39 grados Fahrenheit, justo por encima de su punto de congelación. Esta es la razón por la que el hielo flota hasta la parte superior de un vaso y los lagos se congelan desde la superficie hacia abajo, lo que permite que la vida marina sobreviva a los fríos inviernos. El agua también tiene una tensión superficial inusualmente alta, lo que permite que los insectos caminen sobre su superficie, y una gran capacidad para almacenar calor, manteniendo estables las temperaturas del océano.

Ahora, un equipo que incluye a investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford y la Universidad de Estocolmo en Suecia han realizado la primera observación directa de cómo los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua tiran y empujan las moléculas de agua vecinas cuando se excitan con láser. luz. Sus resultados, publicados en Naturaleza hoy (25 de agosto de 2021), revelan efectos que podrían sustentar aspectos clave del origen microscópico de las extrañas propiedades del agua y podrían conducir a una mejor comprensión de cómo el agua ayuda a las proteínas a funcionar en los organismos vivos.

Equipo de agua de la UED

Para estos experimentos, el equipo de investigación (de izquierda a derecha: Xiaozhe Shen, Pedro Nunes, Jie Yang y Xijie Wang) utilizó MeV-UED de SLAC, una “cámara de electrones” de alta velocidad que utiliza un potente haz de electrones para detectar movimientos moleculares sutiles. en muestras. Crédito: Dawn Harmer / SLAC National Accelerator Laboratory

“Aunque se ha planteado la hipótesis de que este llamado efecto cuántico nuclear está en el corazón de muchas de las extrañas propiedades del agua, este experimento marca la primera vez que se observa directamente”, dijo el colaborador del estudio Anders Nilsson, profesor de física química en Estocolmo. Universidad. “La pregunta es si este efecto cuántico podría ser el eslabón perdido en los modelos teóricos que describen las propiedades anómalas del agua”.

Cada molécula de agua contiene un oxígeno. átomo y dos átomos de hidrógeno, y una red de enlaces de hidrógeno entre átomos de hidrógeno cargados positivamente en una molécula y átomos de oxígeno cargados negativamente en moléculas vecinas los mantiene a todos juntos. Esta intrincada red es la fuerza impulsora detrás de muchas de las propiedades inexplicables del agua, pero hasta hace poco, los investigadores no podían observar directamente cómo interactúa una molécula de agua con sus vecinas.

“La baja masa de los átomos de hidrógeno acentúa su comportamiento de onda cuántica”, dijo la colaboradora Kelly Gaffney, científica del Stanford Pulse Institute en SLAC. “Este estudio es el primero en demostrar directamente que la respuesta de la red de enlaces de hidrógeno a un impulso de energía depende críticamente de la naturaleza mecánica cuántica de cómo se espacian los átomos de hidrógeno, que durante mucho tiempo se ha sugerido que es responsable de los atributos únicos de agua y su red de enlaces de hidrógeno “.

Ama a tu prójimo

Hasta ahora, hacer esta observación ha sido un desafío porque los movimientos de los enlaces de hidrógeno son muy pequeños y rápidos. Este experimento superó ese problema utilizando MeV-UED de SLAC, una “cámara de electrones” de alta velocidad que detecta movimientos moleculares sutiles al dispersar un poderoso haz de electrones de las muestras.

El equipo de investigación creó chorros de agua líquida de 100 nanómetros de espesor, unas 1.000 veces más delgados que el ancho de un cabello humano, y puso a las moléculas de agua a vibrar con luz láser infrarroja. Luego explotaron las moléculas con pulsos cortos de electrones de alta energía de MeV-UED.

Animación de agua UED

Una animación muestra cómo responde una molécula de agua después de ser golpeada con luz láser. Cuando la molécula de agua excitada comienza a vibrar, su átomo de hidrógeno (blanco) tira de los átomos de oxígeno (rojo) de las moléculas de agua vecinas más cerca, antes de alejarlos, expandiendo el espacio entre las moléculas. Esta nueva vista de un efecto que se cree que está detrás de muchas de las extrañas propiedades del agua se creó con la “cámara de electrones” MeV-UED de SLAC, que dispara muestras con pulsos cortos de electrones de alta energía para mirar dentro. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Esto generó instantáneas de alta resolución de la estructura atómica cambiante de las moléculas que unieron en una película de stop-motion de cómo la red de moléculas de agua respondía a la luz.

Las instantáneas, que se enfocaron en grupos de tres moléculas de agua, revelaron que cuando una molécula de agua excitada comienza a vibrar, su átomo de hidrógeno tira de los átomos de oxígeno de las moléculas de agua vecinas más cerca antes de alejarlos con su nueva fuerza, expandiendo el espacio entre las moléculas.

“Durante mucho tiempo, los investigadores han estado tratando de comprender la red de enlaces de hidrógeno utilizando técnicas de espectroscopia”, dijo Jie Yang, ex científico de SLAC y ahora profesor de la Universidad de Tsinghua en China, quien dirigió el estudio. “La belleza de este experimento es que por primera vez pudimos observar directamente cómo se mueven estas moléculas”.

Una ventana sobre el agua

Los investigadores esperan utilizar este método para obtener más información sobre la naturaleza cuántica de los enlaces de hidrógeno y el papel que desempeñan en las extrañas propiedades del agua, así como el papel clave que desempeñan estas propiedades en muchos procesos químicos y biológicos.

“Esto realmente ha abierto una nueva ventana para estudiar el agua”, dijo Xijie Wang, un distinguido científico y colaborador del estudio de SLAC. “Ahora que finalmente podemos ver el movimiento de los enlaces de hidrógeno, nos gustaría conectar esos movimientos con una imagen más amplia, lo que podría arrojar luz sobre cómo el agua condujo al origen y supervivencia de la vida en la Tierra e informar el desarrollo de métodos de energía renovable. . “

Referencia: 25 de agosto de 2021, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03793-9

MeV-UED es un instrumento de la instalación para usuarios de LCLS, operado por SLAC en nombre de la Oficina de Ciencias del DOE, que financió esta investigación.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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