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Investigadores del Departamento de Química Física del Instituto Fritz Haber y de la Universidad Libre de Berlín han desvelado la disposición de las moléculas de agua en la interfase entre el agua líquida y el aire.
Sus hallazgos ayudan a comprender mejor la química interfacial, que viene determinada en gran medida por la disposición específica de las moléculas de agua. El estudio demuestra que un parámetro en particular, hasta ahora ignorado, tiene una importancia fundamental: el giro del agua.
Podría decirse que el agua es la molécula más importante de la Tierra. Las interfaces de agua desempeñan un papel fundamental en numerosos procesos de la fisiología, la superficie oceánica y la atmósfera. En estos procesos, lo que rige su comportamiento es principalmente la región increíblemente delgada de agua que se encuentra directamente en el límite.
Fundamentalmente, la mera presencia de la interfaz perturba la estructura molecular del agua, generando orientaciones preferentes y una red de enlaces de hidrógeno alterada, que dan lugar a propiedades profundamente diferentes del agua en esa región. Aunque estas estructuras únicas están en el centro de muchos fenómenos interfaciales, caracterizarlas es monumentalmente difícil.
La región de agua interfacial es increíblemente delgada (~8 Angstroms), con sólo unas cuatro capas de moléculas de agua. Por debajo de esta región interfacial, el agua adopta sus propiedades a granel. Para dilucidar detalles sobre la estructura molecular del agua en la región interfacial, los investigadores necesitan sondear sólo estas cuatro primeras capas de agua y obtener información sobre las orientaciones moleculares en cada una de ellas. Sin embargo, hasta ahora no ha sido posible realizar este tipo de experimentos, por lo que la estructura molecular exacta del agua interfacial sigue siendo desconocida a pesar de décadas de intensa investigación.
El equipo de investigación del Instituto Fritz Haber superó este reto gracias a la espectroscopia vibracional de profundidad recientemente desarrollada, que utiliza una combinación de láseres infrarrojos y visibles para irradiar la superficie del agua y excitar vibraciones no lineales en las moléculas de agua. Este proceso genera dos nuevos haces láser a diferentes frecuencias visibles, a saber, las señales de suma y diferencia de frecuencias.
Aprovechando las pequeñas diferencias de fase y amplitud de estas señales, el equipo consiguió extraer información precisa sobre la profundidad y aislar la respuesta vibratoria de la región interfacial del agua. Los espectros resultantes se combinaron a continuación con simulaciones informáticas de alto nivel realizadas por el equipo de la FU de Berlín para obtener una imagen clara de las orientaciones de las moléculas de agua dentro de la región interfacial.
Gracias a este enfoque combinado y a su novedosa técnica experimental, los investigadores revelaron que las moléculas de agua de las cuatro primeras capas poseen una estructura de orientación muy bien definida, con ángulos de inclinación y torsión molecular que se alternan de capa a capa.
Mientras que el ángulo de inclinación se define como el ángulo entre el dipolo de agua y la normal de la superficie, el ángulo de torsión molecular describe una rotación alrededor del eje del dipolo. Basándose en estos hallazgos, el equipo de investigación ha podido demostrar que el análisis estructural habitual del agua interfacial en términos de moléculas apuntando "hacia arriba o hacia abajo" es, en gran medida, insuficiente, subrayando la importancia de la distribución de torsión molecular dependiente de la profundidad en la interfase con el aire, que hasta ahora se había ignorado.
Esto conduce a una imagen estructural revisada del agua interfacial con importantes implicaciones en nuestra comprensión de los procesos en las interfaces acuosas.
Finalmente, los autores prevén ampliar sus estudios a una gama más amplia de interfaces acuosas, incluidas las de dispositivos electroquímicos como las baterías.
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