El agua, sustancia fundamental para la vida, sigue guardando misterios a nivel molecular. Un ejemplo es la forma en que las moléculas de agua se conectan mediante enlaces de hidrógeno y cómo este enlace determina propiedades características del agua. A lo largo de los años, los científicos han desarrollado modelos teóricos para comprender estos procesos, aunque su observación directa había sido imposible debido a limitaciones tecnológicas.
Sin embargo, un equipo de investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ha logrado un avance significativo en este campo. Gracias a una técnica innovadora llamada espectroscopía vibracional correlacionada (CVS, por sus siglas en inglés), han podido observar, por primera vez, las interacciones cuánticas entre moléculas de agua en un entorno líquido. Este descubrimiento promete abrir nuevas posibilidades en el estudio de estructuras moleculares complejas y sus aplicaciones en biología, química y ciencia de materiales
La técnica de espectroscopia CVS: una visión clara de los enlaces de hidrógeno
Hasta ahora, los métodos de espectroscopía tradicionales ofrecían información limitada sobre los enlaces de hidrógeno en el agua, ya que solo podían analizar el comportamiento promedio de todas las moléculas simultáneamente. Esto hacía difícil identificar las contribuciones específicas de los enlaces de hidrógeno en las propiedades del agua. Según la Dra. Sylvie Roke, jefa del laboratorio de Biofotónica Fundamental de EPFL, “los métodos de espectroscopía tradicionales miden la dispersión de la luz causada por la vibración de todas las moléculas, obligándonos a suponer que los resultados corresponden a la interacción molecular de interés”.
La técnica CVS desarrollada por el equipo de Roke es revolucionaria porque permite distinguir las moléculas de agua que participan activamente en enlaces de hidrógeno de las que no lo hacen. Mediante pulsos láser ultracortos en el espectro cercano al infrarrojo, los investigadores lograron detectar “oscilaciones de carga y desplazamientos atómicos” en las moléculas de agua que, al emitir luz visible, permitieron reconstruir su organización espacial
Descubrimientos clave sobre el enlace de hidrógeno en el agua
Con CVS, los autores del estudio lograron medir por primera vez cómo las moléculas de agua comparten cargas electrónicas a través de los enlaces de hidrógeno. Este fenómeno, esencial para las propiedades únicas del agua, se había estudiado solo en simulaciones. La técnica CVS proporciona desde ahora un método experimental para medir directamente cuánta carga electrónica es compartida, así como evaluar la fuerza del enlace de hidrógeno en diferentes condiciones experimentales, como cambios en el nivel de acidez (pH) del agua.
La capacidad de cuantificar directamente la fuerza de los enlaces de hidrógeno es un método potente que permite esclarecer detalles moleculares en cualquier tipo de solución.
Sylvie Roke
Respecto a este último punto, el equipo descubrió que al modificar el pH del agua mediante la adición de iones hidróxido o protones, se alteraban las características del enlace de hidrógeno. Según el estudio, los iones hidróxido donan aproximadamente un 8 % de carga extra a la red de enlaces de hidrógeno, mientras que los protones absorben un 4 %. Estos resultados son importantes porque muestran cómo la acidez afecta a la estructura molecular del agua y, por lo tanto, su reactividad química
Proteínas, ADN, medicamentos o nuevos materiales, el potencial de la nueva técnica
No se está exagerando con en potencial de esta nueva técnica: la capacidad de observar interacciones a nivel molecular en el agua podría tener un impacto significativo en diversas áreas de la ciencia y la tecnología. Los enlaces de hidrógeno son cruciales para muchas otras moléculas biológicas, más allá del agua, como pueden ser las proteínas y el ADN. Gracias a CVS, los investigadores podrán estudiar estas estructuras con una precisión sin precedentes, lo que podría ayudar en el diseño de nuevos materiales o en la mejora de medicamentos.
En esta línea, y según el equipo de EPFL, CVS podría utilizarse para estudiar soluciones que contengan electrolitos, azúcares o aminoácidos, lo que aportaría datos detallados sobre sus interacciones moleculares. La Dra. Roke destaca que “la capacidad de cuantificar directamente la fuerza del enlace de hidrógeno es un método poderoso que puede aclarar detalles moleculares en cualquier tipo de solución”.
Los científicos también están interesados en utilizar CVS en la investigación de materiales avanzados, como aquellos que son sensibles a estímulos externos, como la luz o el pH, abriendo posibilidades para la creación de materiales inteligentes. En un campo tan interdisciplinario, CVS llega como una herramienta poderosa para expandir el conocimiento molecular de los materiales, para favorecer así innovaciones en áreas que van desde la biotecnología hasta la electrónica avanzada.
Un vídeo-resumen con la técnica utilizada
La Dra. Sylvie Roke explica en un vídeo de menos de un minuto en qué consiste la nueva técnica. “En el agua líquida, los enlaces de hidrógeno tienen una vida útil muy corta; generalmente duran una millonésima de milmillonésima de segundo. Lo que hemos descubierto es un método espectroscópico que nos permite aislar específicamente los enlaces de hidrógeno en las moléculas de agua. A partir de este conjunto específico de moléculas de agua, podemos medir el espectro del modo vibracional de este movimiento”.
“Este es uno de esos fenómenos de la mecánica cuántica que componen los enlaces de hidrógeno. Ahora, gracias a esta técnica, podemos comprender mejor qué significa esta interacción de enlace de hidrógeno en el agua y cómo se conecta con todas las manifestaciones naturales: el hielo flota en el agua, el agua regula nuestro clima en el planeta Tierra”.
Referencias
- Mischa Flór, David M. Wilkins, Miguel de la Puente, Damien Laage, Giuseppe Cassone, Ali Hassanali, Sylvie Roke. Dissecting the hydrogen bond network of water: Charge transfer and nuclear quantum effects. Science, 2024; DOI: 10.1126/science.ads4369.
Cortesía de Muy Interesante
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