En un estudio publicado en 'Science' esta semana, investigadores describen las propiedades dieléctricas del agua que tiene solo unas pocas moléculas de grosor. Anteriormente, se había pronosticado que dicha agua exhibiría una respuesta eléctrica reducida, pero seguía sin conocerse en qué medida.
El nuevo estudio muestra que capas de agua atómicamente delgadas cerca de superficies sólidas no responden a un campo eléctrico, un hallazgo que tiene implicaciones muy importantes para entender muchos fenómenos en los que el agua está involucrada, incluida la vida.
Las moléculas de agua son pequeñas y aparentemente simples, pero, no obstante, exhiben propiedades bastante complejas, muchas de las cuales siguen siendo poco conocidas. Entre ellas, se encuentra la capacidad del agua para disolver sustancias mucho mejor que cualquier otro solvente. Por lo tanto, el agua se conoce como el solvente "universal".
Detrás de esta capacidad de solvatación está el hecho de que las moléculas de agua se comportan como diminutos dipolos con dos cargas opuestas colocadas en los extremos de la molécula. Esto facilita que el agua disuelva sales y azúcares, mientras que sustancias como los aceites son repelidas.
Las propiedades dipolares del agua --o, como lo denominan los científicos, la polarizabilidad-- también desempeñan un papel importante en la estructuración de las moléculas de la vida, las proteínas y los ácidos nucleicos. Por lo tanto, no es de extrañar que durante muchas décadas los científicos trataron de descubrir cómo se comporta el agua a escala microscópica, en la vecindad inmediata de otras sustancias, superficies sólidas y macromoléculas.
Las propiedades dipolares del agua --o, como lo denominan los científicos, la polarizabilidad-- también desempeñan un papel importante en la estructuración de las moléculas de la vida
La búsqueda finalmente ha tenido éxito debido a los esfuerzos de colaboración de los grupos de la doctora Laura Fumagalli y el doctor Andre Geim, en el 'National Graphene Institute' de la Universidad de Manchester, en Reino Unido. Combinaron dos tecnologías desarrolladas recientemente. En primer lugar, los investigadores crearon canales especiales de varios angstroms de tamaño y acomodaron solo unas pocas capas de agua. Segundo, introdujeron una técnica capaz de sondear la constante dieléctrica del agua dentro de dichos nanocanales.
Fumagalli, que es el autor principal y desarrolló la técnica de medición, explica que "la existencia de una capa de agua poco polarizable cerca de las superficies es fundamental para muchas disciplinas científicas y su naturaleza ha sido debatida durante casi un siglo. Para resolver el debate, fue necesario desarrollar nuevas herramientas para medir de forma controlable la constante dieléctrica en una escala muy pequeña". "Hemos hecho esto", afirma.
Respuesta eléctrica del agua confinada, ausente
Los investigadores descubrieron que la respuesta eléctrica del agua confinada no solo se suprime, sino que está completamente ausente. En otras palabras, el agua dentro de los nanocanales estaba eléctricamente muerta con sus dipolos inmovilizados e incapaces de detectar un campo externo. Esto está en contraste con el agua a granel cuyas moléculas se alinean fácilmente a lo largo de un campo eléctrico. Se encontró que el espesor de la capa muerta era de menos de un nanómetro, de dos a tres moléculas de grosor.
Fumagalli comenta que "el agua cubre todas las superficies que nos rodean. Esta capa tiene solo unos pocos átomos de espesor". "No la vemos, pero está ahí y es importante --agrega--. Hasta ahora, se suponía que esta agua superficial se comportaba de manera diferente a la del agua normal famosa por una constante dieléctrica anormalmente alta. Qué diferente, no se sabía. Fue una sorpresa encontrar que la constante dieléctrica del agua interfacial también era anómala. Sin embargo, su polarizabilidad es anormalmente baja en lugar de anómalamente alta".
Por su parte, Geim añade que esta anomalía no es solo una curiosidad académica, sino que tiene implicaciones claras para muchos campos y para las ciencias de la vida en particular.
"Nuestros resultados pueden ayudar a mejorar la comprensión del papel del agua en los procesos tecnológicos y por qué es tan crucial para las interacciones eléctricas con las moléculas de agua jugando un papel importante en la formación de moléculas biológicas, como las proteínas. --concluye--. Probablemente, se pueda afirmar que el agua interfacial da forma a la vida tal como la conocemos, tanto literal como figurativamente".
