Por primera vez, los físicos rusos han logrado efectivamente «disolver» agua en una esmeralda, anulando los enlaces de hidrógeno, que por lo general contienen a las moléculas de agua juntas.

Sin la influencia de estos enlaces del hidrógeno, las moléculas de agua se alinearon según la interacción de sus polos cargados positiva y negativamente – o dipolos – que es algo que los investigadores han estado tratando de hacer por años, pero nunca han logrado alcanzar.

La razón de que esto sea tan genial es debido a que la propiedad especial del agua – conocida como ferroelectricidad – había sido predicha por numerosos modelos de computadoras, pero nunca antes había sido demostrada experimentalmente.

Ahora que los investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú han logrado esto en el laboratorio, pueden utilizar el agua «disuelta» para entender mejor otros fenómenos misteriosos observados en la naturaleza, y el hallazgo también dar lugar a materiales más eficientes.

Incluso se cree que este comportamiento evasivo de las moléculas de agua, y los diminutos campos eléctricos que generan, podría ser fundamental dentro de nuestras propias células.

«La ferroelectricidad de las moléculas de agua puede desempeñar un papel clave en el funcionamiento de los sistemas biológicos y encontrar aplicaciones en pilas de combustible y de la memoria, de los emisores de luz y otros dispositivos a nanoescala», escriben los investigadores en Nature Communications.

¿Por qué este descubrimiento es tan emocionante?

El H2O está formado por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, y se ve (en teoría, al menos) como la siguiente imagen:

Los dos átomos de hidrógeno están ligeramente cargados positivamente, y el átomo de oxígeno es ligeramente cargado negativamente, y esto genera moléculas de agua dipolos.

Debido a que las moléculas de agua tienen tan fuerte atracción del polo con carga negativa – conocido como su momento dipolar eléctrico, se esperaría que muestren algo llamado ferroelectricidad, lo que significa, básicamente, que cuando un material se enfría, todos los dipolos se alinean en un patrón ordenado. (Es como ferromagnetismo, pero con carga eléctrica).

Pero en el agua líquida, la alineación ferroeléctrica no se produce, debido a que las moléculas se encuentran tan juntas que están dominadas por enlaces de hidrógeno de corto alcance.

Esos enlaces de hidrógeno se forman porque el átomo de oxígeno con carga negativa de una molécula quiere unirse con el hidrógeno cargado positivamente de otra molécula – y esto mantiene a las moléculas de agua fluyendo desorganizadamente, y anula las fuerzas dipolo-dipolo de largo alcance.

Para superar esto, el equipo ruso decidió tratar de separar las moléculas de agua lo suficiente para que el enlace de hidrógeno ya no genere influencia. Lo hicieron tomando una esmeralda, y atrapando las moléculas de agua dentro de las cavidades a nanoescala en su estructura cristalina.

Esto mantiene las moléculas lo suficientemente separadas para disminuir la unión de hidrógeno, pero todavía lo suficientemente cerca para que las fuerzas dipolo-dipolo tengan efecto.

Cuando hicieron esto, los investigadores fueron capaces de detectar por primera vez en la historia que el agua líquida estaba mostrando ferroelectricidad – y todos sus momentos dipolares funcionaban en un patrón ordenado.

Se puede ver representado en el diagrama de abajo, donde las flechas rojas representan los momentos de dipolo, o el «tirón» de los electrones desde el polo positivo a la carga negativa. Las estructuras verdes son las nanocajas dentro de la Esmeralda:

Crédito: Instituto de Física y Tecnología de Moscú

Esto es algo de física muy intensa, pero también es un muy gran momento para nuestra comprensión de cómo el agua – uno de los pilares de la vida – funciona, y las extrañas propiedades que tiene bajo ciertas circunstancias.

No podemos esperar a ver lo que el equipo descubrirá a partir de este experimento.

La investigación se ha publicado en Nature Communications.