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'Agua cuántica' descubierta en nanotubos de carbono
Muchos astrobiólogos piensan que el agua es un ingrediente clave para la vida. Y no solo porque la vida en la Tierra no puede funcionar sin él.
El agua tiene un extraño conjunto de propiedades que otras sustancias químicas simplemente no comparten. Un ejemplo famoso es que el agua se expande cuando se congela, lo que garantiza que el hielo flote en lugar de hundirse. Eso es importante porque si no fuera así, los lagos y océanos se congelarían de abajo hacia arriba, dificultando la supervivencia y evolución de la vida compleja.
Estas y otras propiedades son el resultado de la capacidad de las moléculas de agua para formar enlaces de hidrógeno entre sí y esto le da a estas moléculas algunas propiedades muy especiales.
Hoy, George Reiter de la Universidad de Houston y algunos amigos presentaron evidencia de que el agua es más extraña de lo que nadie pensaba. De hecho, van tan lejos como para decir que cuando está confinado en la escala nanométrica, se forma en un tipo completamente nuevo de agua cuántica.
El trasfondo de esto es que los electrones en las moléculas donantes y aceptoras en los enlaces de hidrógeno son indistinguibles, lo que significa que pueden viajar de una molécula a la siguiente. Cuando las moléculas están confinadas de alguna manera, pueden extenderse a cierta distancia, cuando están en un sólido, por ejemplo.
Pero las moléculas de agua también pueden confinarse de otras formas. Y cuando eso sucede, la estructura electrónica del agua líquida se convierte en una red conectada.
Eso plantea una pregunta importante: ¿en qué se diferencia el comportamiento de las moléculas en esta red electrónica del comportamiento de las moléculas en el agua a granel que interactúan de manera ordinaria?
Reiter y compañía dicen que han medido las propiedades de confinado en el pequeño espacio dentro de los nanotubos de carbono a temperatura ambiente y encontraron algunas diferencias importantes. Lo han hecho llenando nanotubos con agua y bombardeándolos con un intenso haz de neutrones en el laboratorio Rutherford Appleton en el Reino Unido. La forma en que se dispersan los neutrones revela el impulso de los protones dentro de los nanotubos.
Resulta que los protones en esta agua nanoconfinada a temperatura ambiente se comportan de una manera completamente diferente a los del agua a granel. Se sabe que los protones son sensibles a los campos electrónicos que los rodean. Entonces, cuando estos campos se forman en redes electrónicas inusuales, no es de extrañar que los protones se comporten de manera diferente.
Las desviaciones de la distribución de la cantidad de movimiento de los protones de la del agua a granel son tan grandes que creemos que el agua nanoconfinada puede describirse correctamente como si estuviera en un estado fundamental cuántico cualitativamente diferente al del agua a granel, dicen.
Incluso sugieren que podría haber algún tipo de coherencia cuántica que se extienda a través de la red electrónica. Si ese es el caso, debería ser posible medir cómo se descodifica esto en experimentos futuros.
Eso es un gran problema. Reiter y sus colegas eligieron los nanotubos de carbono porque son un análogo de las condiciones a las que se enfrenta el agua cuando atraviesa sistemas vivos, por ejemplo, a través de canales iónicos en las membranas celulares. Los biólogos saben desde hace mucho tiempo que el flujo a través de estos canales es órdenes de magnitud mayor de lo que predice la dinámica de fluidos convencional. Quizás este nuevo estado del agua cuántica sea la razón.
Reiter y compañía también dicen que esta agua cuántica solo puede existir cuando está rodeada de moléculas neutras como el carbono en nanotubos y no en presencia de muchos materiales comúnmente estudiados, como membranas de intercambio de protones como Nafion. Está hecho de moléculas que conducen protones de una manera completamente diferente y, por lo tanto, previene la formación de agua cuántica.
La implicación, por supuesto, es que las membranas de intercambio de protones que se utilizan en todo, desde la producción química hasta las pilas de combustible, podrían mejorarse drásticamente mediante el uso de un material a base de carbono neutro.
De hecho, este fenómeno puede ser un factor crucial en el propio mecanismo de la vida. ¡Algo muy emocionante!
Ref: arxiv.org/abs/1101.4994 : Evidencia de un nuevo estado cuántico de agua nanoconfinada