Descubren un estado de “agua cuántica” en nanotubos de carbono - principal


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Se encontró un nuevo estado cuántico del agua en los nanotubos de carbono, algo que podría tener importantes implicaciones para la vida

Muchos astrobiólogos piensan que el agua es un ingrediente clave para la vida. Y no sólo porque la vida en la Tierra no puede manejarse sin ella.

El agua tiene un extraño conjunto de propiedades que el resto de los compuestos químicos no comparten. Un ejemplo famoso es que el agua ocupa más lugar cuando se congela, lo cual asegura que el hielo flote en lugar de hundirse. Esto es importante debido a que, si no fuera así, los lagos y océanos se congelarían de abajo a arriba, causando que fuera difícil que la vida compleja sobreviviera y evolucionara.

Éstas, y otras propiedades son el resultado de la capacidad de las moléculas de agua de formar enlaces de hidrógeno entre sí, lo que le da a las moléculas unas propiedades muy especiales.

Hoy, George Reiter de la Universidad de Houston y algunos colegas, presentan algunas pruebas que nos muestran que el agua es más extraña de lo que nadie hasta el momento había pensado. De hecho, ellos llegan hasta decir que, cuando se confina a escala nanométrica, se forma un tipo completamente nuevo de agua cuántica.

El respaldo para esto es que los electrones de los enlaces en las moléculas donantes y receptoras de hidrógeno son indistinguibles, lo que significa que pueden viajar de una molécula a otra. Cuando las moléculas se confinan de cierto manera, pueden extenderse a lo largo de cierta distancia, en un sólido, por ejemplo.

Pero las moléculas de agua se pueden confinar también de otras maneras. Y cuando sucede esto, la estructura electrónica del agua líquida se convierte en una red interconectada.

Esto genera una importante pregunta: ¿cuán diferente es el comportamiento de las moléculas en esta red electrónica respecto al de las moléculas en agua común, interactuando de una manera ordinaria?

Reiter y compañía dicen que han medido las propiedades del agua confinada en el diminuto espacio dentro de los nanotubos de carbono a temperatura ambiente y encontraron importantes diferencias. Lo han realizado llenando los nanotubos con agua y bombardeándola 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 momento de los protones en el interior de los nanotubos.

Resulta ser que los protones en este agua nano-confinada a temperatura ambiente se comportan de una forma totalmente distinta a los del agua común. Se sabe que los protones son sensibles a los campos eléctricos que hay a su alrededor. De modo que cuando estos campos se forman en redes electrónicas inusuales, no es sorprendente que los protones se comporten de manera diferente.

“Los desvíos de la distribución de momento de los protones con respecto al agua común son tan grandes que creemos que el agua nano-confinada se puede describir adecuadamente como que está en un estado fundamental cuántico cualitativamente diferente del que tiene el agua común”, comentan.

Incluso sugieren que debe haber algún tipo de coherencia cuántica que se extiende por la red electrónica. Si este es el caso, debería ser posible medir, en futuros experimentos, cómo se da la decoherencia.

Esto es algo grande. Reiter y sus companeros eligieron los nanotubos de carbono debido a que representan un análogo de las condiciones a las que se enfrenta el agua cuando pasa a través de los sistemas vivos, a través de canales de iones en las membranas celulares, por ejemplo. Los biólogos saben hace tiempo que el flujo a través de estos canales es de varios órdenes de magnitud mayor de lo que predice la dinámica de fluidos convencional. Quizás este nuevo estado cuántico del agua es la razón de eso sea así.

Reiter y sus colegas dicen que este estado cuántico del agua sólo puede existir cuando ésta es rodeada de moléculas neutras, como el carbono de los nanotubos, y no en presencia de materiales que se estudian más comúnmente, como las membranas de intercambio de protones llamadas Nafion. Esto está formado de moléculas que conducen los protones de una forma totalmente diferente, y por lo tanto, impiden la formación del agua cuántica.

La implicación, por supuesto, es que las membranas de intercambio de protones que se utilizan en todo, desde la producción de compuestos químicos a células de combustible, se podrían mejorar drásticamente utilizando un material neutro basado en el carbono.

De hecho, este fenómeno podría ser un factor clave en el propio mecanismo de la vida. ¡Un asunto apasionante!

Reeferencia de publicación: arXiv:1101.4994v1

Fuente: Technology Review. Aportado por Eduardo J. Carletti


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