Repetidamente se ha encontrado que, a pesar de su muy simple constitución de un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, el agua es una sustancia que no deja de sorprender a los científicos.

En este sentido, los resultados de un estudio realizado por investigadores de la Universidad de Manchester revelan, para su sorpresa, que las propiedades eléctricas del agua presentan un comportamiento anómalo en un entorno nanométrico.

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No está claro

El agua es un solvente versátil que juega un papel importante en muchos sistemas químicos, una propiedad que le ha valido el apodo de “solvente de la vida”. Esta versatilidad está enraizada en la alta polarizabilidad del agua.

La distancia entre el átomo de oxígeno y un átomo de hidrógeno en una molécula de agua es de menos de 0,1 nanómetros.

La desigual distribución de carga de las moléculas del agua, les permite disolver todo tipo de moléculas. Como un disolvente a granel, la constante dieléctrica del agua, es decir, la medida de su polarizabilidad, es aproximadamente 80.

Estudios teóricos y experimentales han demostrado previamente que la constante dieléctrica en agua muy delgada disminuye; sin embargo, no se sabe cuánto.

Al respecto, la investigadora Laura Fumagalli, catedrática en la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de Manchester y coautora del estudio, manifestó:

“Este es un gran problema. El valor de la constante dieléctrica a nanoescala no está claro en absoluto y tiene un gran impacto en muchos fenómenos que abarcan desde el estudio de proteínas y ADN, hasta la electroquímica y las baterías.”

Hasta ahora, estudiar las propiedades eléctricas del agua por debajo de un nanómetro, donde sólo hay unas pocas moléculas de agua, ha sido una tarea insuperable. Pero los investigadores desarrollaron una técnica completamente nueva para lograr su cometido.

Una técnica innovadora

El equipo utilizó microscopía de fuerza atómica y una configuración experimental cuidadosamente controlada para realizar nuevas mediciones en aguas confinadas.

A pesar de su muy simple constitución de un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, el agua es una sustancia que no deja de sorprender a los científicos.

Utilizando una hoja de grafito como “base”, los científicos colocaron películas de nitruro de boro sobre ella de tal manera que produjeron una especie de “casa” con muchas “habitaciones” individuales con un ancho y alto de varias decenas de nanómetros.

Esta configuración permitió que un número muy pequeño de moléculas de agua pudieran entrar en tales brechas, lo que permitió a los investigadores medir sus propiedades dieléctricas y otras propiedades físicas con mucha precisión.

Para esto, los científicos colocaron la aguja de un microscopio de fuerza atómica supersensible en cada “sala” y observaron qué tan bien penetró el campo eléctrico a través del “sándwich” de materiales semiconductores planos y agua, cambiando la altura y el ancho de toda la estructura.

Los investigadores encontraron que en canales de 1 nanómetro de altura, la constante dieléctrica del agua fue de sólo 2, una valor mucho menor que el predicho previamente de alrededor de 10. Esencialmente, el agua dentro de estos nanocanales estaba eléctricamente muerta.

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Este valor anómalamente bajo de la constante dieléctrica en agua confinada contrasta con la alta constante dieléctrica del agua a granel, que es de alrededor de 80.

Los autores del estudio señalan que esta anomalía en la constante dieléctrica del agua no se trata de sólo una curiosidad académica, sino que tiene implicaciones claras para muchos campos y para las ciencias de la vida en particular.

Referencia: Anomalously low dielectric constant of confined water. Science, 2018. https://doi.org/10.1126/science.aat4191

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