La finísima capa de agua que recubre todas las superficies que nos rodean tiene propiedades eléctricas muy diferentes a las del agua normal, según los experimentos que han realizado investigadores de la Universidad de Manchester y el Instituto de Bioingeniería de Cataluña dentro de nanocanales. En su interior el agua está eléctricamente 'muerta', no responde a los campos eléctricos, cuando lo habitual es que presente una constante dieléctrica alta.
Entre las muchas e inusuales propiedades del agua, una de las sustancias más fascinantes y 'raras' de la Tierra, figura su alta polarizabilidad, es decir, una fuerte respuesta a un campo eléctrico aplicado.
Sin embargo, investigadores de la Universidad de Manchester (Reino Unido) y el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) han descubierto que las capas de agua de tan solo unas pocas moléculas de grosor, como la que cubren todas las superficies que nos rodean, se comportan de manera muy diferente al agua normal: cuando está en capas delgadas pierde su polarizabilidad, queda eléctricamente 'muerta'.
Utilizando nuevas técnicas, el equipo ha podido medir por primera vez las propiedades dieléctricas de esas finísimas láminas de agua, demostrando que las capas de agua de grosor atómico localizadas cerca de superficies sólidas no responden a los campos eléctricos.
El hallazgo, publicado en la revista Science, tiene implicaciones muy importantes para la comprensión de muchos fenómenos en los que el agua está involucrada, incluidos los que tienen lugar en todos los seres vivos.
Durante muchas décadas, los científicos habían intentado sin éxito averiguar cómo se comporta el agua a escala microscópica en las inmediaciones de otras sustancias, superficies sólidas y macromoléculas. "Todas las superficies están cubiertas por una capa de agua de solo unos pocos átomos de grosor", dice Laura Fumagalli, investigadora de la universidad británica y autora principal de artículo. "No podemos verla, pero está ahí, y su naturaleza ha sido debatida durante casi un siglo".
Hasta ahora, se suponía que esta agua superficial se comportaba de manera diferente al agua normal, famosa por su constante dieléctrica anómalamente alta. Se pronosticó que esas finas capas exhibirían una respuesta eléctrica reducida, pero se desconocía su valor, un tema controvertido en la química física moderna.
Ilustración del experimento con el agua por los nanocanales. / L. Fumagalli, A. Geim et al./Science
Para resolver el debate, los autores desarrollaron nuevas herramientas con las que medir la constante dieléctrica en una escala muy pequeña. "Para estudiar las propiedades de estas capas de agua tan finas, uno tiene que deshacerse de los efectos del resto de moléculas de agua que domina el comportamiento general", comenta el profesor Gabriel Gomila, coautor y lider del grupo Caracterización bioeléctrica a la nanoescala del IBEC.
Los científicos lo llevaron a cabo creando canales especiales que tenían solo algunos angstroms de tamaño (un angstrom es una décima de nanómetro) y que acomodaban solo unas pocas capas de agua. Luego usaron una técnica de medida nueva capaz de sondear la constante dieléctrica del agua dentro de los nanocanales.
La sorpresa de la falta de respuesta eléctrica
Para su sorpresa, detectaron que la respuesta eléctrica del agua confinada no solo estaba debilitada, sino que estaba completamente ausente. En otras palabras, el agua dentro de los nanocanales estaba eléctricamente 'muerta', con sus dipolos inmovilizados e incapaces de detectar un campo eléctrico externo.
Los investigadores del IBEC y coautores René Fábregas y Gabriel Gomila. / IBEC
Este resultado contrasta con el comportamiento del agua en grandes volúmenes, cuyas moléculas tienen la libertad de alinearse fácilmente a lo largo de los campos eléctricos. El grosor de la capa insensible a los campos eléctricos donde se realizaron las observaciones resultó ser de menos de un nanómetro, de dos a tres moléculas de agua de grosor.
"Esta anomalía no es solo una curiosidad académica, sino que tiene claras implicaciones en muchos campos, y en las ciencias de la vida en particular", destaca el profesor Andre Geim, que recibió el Premio Nobel de Física en 2010. "Las interacciones eléctricas con moléculas de agua juegan un papel importante en la formación de moléculas biológicas como las proteínas, por lo que nuestros resultados pueden ayudar a mejorar la comprensión del papel del agua en los procesos tecnológicos, y por qué es tan crucial para la vida".
Esta investigación la han liderado Fumagalli y Geim, ambos del National Graphene Institute de la Universidad de Manchester, y además de los coautores del IBEC, también ha participado un grupo del National Institute for Materials Science de Japón. El estudio ha recibido el apoyo del Engineering and Physical Sciences Research Council, la Lloyd’s Register Foundation, la Royal Society, Graphene Flagship, el European Research Council, el antiguo Ministerio de Industria, Economia y Competitividad, y el ICREA Academia Award.
Referencia bibliográfica:
L. Fumagalli, A. Esfandiar, R. Fabregas, S. Hu, P. Ares, A. Janardanan, Q. Yang, B. Radha, T. Taniguchi, K. Watanabe, G. Gomila, K. S. Novoselov, A. K. Geim. "Anomalously low dielectric constant of confined water". Science, 2018.
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