El agua es sinónimo de vida, pero las interacciones dinámicas y multifacéticas que mantienen unidas las moléculas de H2O (los enlaces de hidrógeno) siguen siendo enigmáticas. Los enlaces de hidrógeno se producen cuando los átomos de hidrógeno y oxígeno interactúan entre las moléculas de agua, compartiendo la carga electrónica en el proceso. Este reparto de carga es una característica clave de la red tridimensional de ‘enlaces H’ que confiere al agua líquida sus propiedades únicas, pero hasta ahora los fenómenos cuánticos en el corazón de tales redes sólo se han entendido mediante simulaciones teóricas.
Ahora, investigadores dirigidos por Sylvie Roque, directora del Laboratorio de Biofotónica Fundamental de la Escuela de Ingeniería de la EPFL, han revelado un nuevo método, la espectroscopia vibratoria correlacionada (CVS), que les permite medir cómo participan las moléculas de agua cuando H. ¿Cómo lo hacen? comportarse cuando lo hacen? -red de bonos. Es importante destacar que CVS permite a los científicos distinguir entre dichas moléculas participantes (que interactúan) y moléculas sin enlaces de H (que no interactúan) distribuidas aleatoriamente. Por el contrario, cualquier otro método informa mediciones de ambos tipos de moléculas simultáneamente, lo que hace imposible distinguirlas.
“Los métodos de espectroscopia actuales miden la dispersión de la luz láser debido a las vibraciones de todas las moléculas de un sistema, por lo que hay que asumir o plantear la hipótesis de que lo que estás viendo se debe a las interacciones moleculares que te interesan”, explica Roque . “Con CVS, los modos de vibración de cada tipo diferente de molécula tienen su propio espectro de vibración. Y dado que cada espectro tiene un pico único que corresponde a las moléculas de agua a lo largo de los enlaces H, podemos medir directamente sus propiedades, como cuánta carga electrónica se comparte y cómo se ve afectada la fuerza del enlace H”.
Se ha publicado el método, que según el equipo tiene potencial “transformador” para identificar interacciones en un material. ciencia.
Ver las cosas desde un nuevo ángulo
Para distinguir entre moléculas que interactúan y no interactúan, los científicos iluminaron agua líquida con pulsos láser de femtosegundo (un cuarto de segundo) en el espectro del infrarrojo cercano. Estos estallidos de luz ultrabreves crean pequeñas oscilaciones de carga y desplazamientos atómicos en el agua, que desencadenan la emisión de luz visible. Esta luz emitida aparece en un patrón de dispersión que contiene información clave sobre la organización espacial de la molécula, mientras que el color del fotón contiene información sobre los desplazamientos atómicos dentro y entre las moléculas.
“En experimentos típicos, el detector espectrográfico se coloca en un ángulo de 90 grados con respecto al rayo láser entrante, pero nos dimos cuenta de que podíamos examinar las moléculas que interactúan cambiando la posición del detector y registrando los espectros usando combinaciones específicas de luz polarizada. De esta manera, podríamos detectar moléculas que no interactúan y producir espectros separados para moléculas que interactúan”, dice Roque.
El equipo llevó a cabo más experimentos destinados a utilizar CVS para separar los efectos cuánticos electrónicos y nucleares de la red de enlaces de hidrógeno, por ejemplo cambiando el pH del agua añadiendo iones de hidróxido (haciéndola más básica) o protones (haciéndola más ácida). ). )
“Los iones de hidróxido y los protones participan en los enlaces de hidrógeno, por lo que cambiar el pH del agua cambia su reactividad”, dijo la estudiante de doctorado Misha Flore, primera autora del artículo. “Con CVS, ahora sabemos exactamente cuánta carga extra dona el ion hidróxido a la red de enlaces H (8%) y cuánta carga toma el protón (4%), mediciones precisas que nunca antes se habían podido realizar experimentalmente. “Francia, estos valores fueron explicados con simulaciones avanzadas realizadas por colaboradores en Italia y el Reino Unido.
Los investigadores destacan que el método, que también han demostrado mediante cálculos teóricos, se puede aplicar a cualquier material y, de hecho, ya están en marcha varios nuevos experimentos de caracterización.
“La capacidad de cuantificar directamente las energías de los enlaces de hidrógeno es un método potente que puede utilizarse para dilucidar los detalles a nivel molecular de cualquier solución, que contenga, por ejemplo, electrolitos, azúcares, aminoácidos, ADN o proteínas”, afirma Roque. “Debido a que CVS no se limita al agua, puede proporcionar una gran cantidad de información sobre otros fluidos, sistemas y procesos”.