Láser Ultrarrápido de Rayos X Revela la Intrincada Red de Enlaces de Hidrógeno de las Moléculas de Agua

El agua es más complicada de lo que parece. Ahora, un estudio dirigido por investigadores de la Universidad de Estocolmo ha sondeado los movimientos de sus moléculas en una escala de tiempo de millonésimas de milmillonésima de segundo.

La clave para entender el agua a nivel molecular es observar los cambios de la red de enlaces de hidrógeno, que pueden desempeñar un papel importante en la actividad biológica y la vida tal como la conocemos.

--Anders Nilsson, profesor de la Universidad de Estocolmo y ex profesor del SLAC

La falta de color, sabor y olor del agua hace que parezca simple, y a nivel molecular lo es. Sin embargo, cuando muchas moléculas de agua se juntan, forman una red muy compleja de enlaces de hidrógeno. Se cree que esta red es la responsable de muchas de las peculiares propiedades del agua líquida, pero su comportamiento aún no se conoce del todo.

Ahora, los investigadores han investigado los movimientos de las moléculas del agua líquida que se producen en menos de 100 millonésimas de milmillonésima de segundo, o femtosegundos. Un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Estocolmo llevó a cabo los experimentos con el láser de rayos X de la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía. Han publicado su informe esta semana en Nature Communications.

El estudio es el primero en "fotografiar" las moléculas de agua en esta escala de tiempo con una técnica llamada espectroscopia de correlación de fotones de rayos X ultrarrápida, que hace rebotar pulsos de rayos X en las moléculas para producir una serie de patrones de difracción. Al variar la duración de los pulsos de rayos X, varía esencialmente el tiempo de exposición, y cualquier movimiento de las moléculas de agua durante una exposición difuminará la imagen resultante. Analizando el desenfoque producido por los distintos tiempos de exposición, los científicos pudieron extraer información sobre el movimiento molecular.

En esta escala de tiempo, se suponía que las moléculas de agua se movían al azar debido al calor, comportándose más como un gas que como un líquido. Sin embargo, los experimentos indican que la red de enlaces de hidrógeno desempeña un papel incluso en esta escala de tiempo ultrarrápida, coordinando los movimientos de las moléculas de agua en una intrincada danza, que se hace aún más pronunciada cuando el agua se "superenfría" por debajo de su punto de congelación normal (when water is “supercooled” below its normal freezing point).

"La clave para entender el agua a nivel molecular es observar los cambios de la red de enlaces de hidrógeno, que pueden desempeñar un papel importante en la actividad biológica y en la vida tal como la conocemos", afirma Anders Nilsson, profesor de la Universidad de Estocolmo y ex profesor del SLAC.

Fivos Perakis, investigador de la Universidad de Estocolmo, añade: "Es una capacidad totalmente nueva poder utilizar los láseres de rayos X para ver el movimiento de las moléculas en tiempo real. Esto puede abrir todo un nuevo campo de investigación en estas escalas de tiempo, combinado con la sensibilidad estructural única de los rayos X".

Los resultados experimentales fueron reproducidos por simulaciones informáticas, que indican que el baile coordinado de las moléculas de agua se debe a la formación de estructuras tetraédricas transitorias.

"Llevo mucho tiempo estudiando la dinámica del agua líquida y sobreenfriada mediante simulaciones por ordenador, y es muy emocionante poder por fin comparar directamente con los experimentos", afirma Gaia Camisasca, investigadora postdoctoral de la Universidad de Estocolmo que realizó las simulaciones por ordenador para este estudio. "Estoy deseando ver los futuros resultados que pueden surgir de esta técnica, que puede ayudar a mejorar los actuales modelos informáticos del agua".

El LCLS es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE. Thomas J. Lane, Sanghoon Song, Takahiro Sato, Marcin Sikorski, Andre Eilert, Trevor McQueen, Hirohito Ogasawara, Dennis Nordlund, Jake Koralek, Silke Nelson, Philip Hart, Roberto Alonso-Mori, Yiping Feng, Diling Zhu y Aymeric Robert han contribuido a este estudio, junto con investigadores del KTH Royal Institute of Technology de Estocolmo y del DESY de Hamburgo.

Este artículo se basa en un comunicado de prensa de la Universidad de Estocolmo.

Citación: F. Perakis et al., Nature Communications, 15 May 2018 (DOI 10.1038/s41467-018-04330-5)

Artículo: X-ray Laser Reveals Ultrafast Dance of Liquid Water

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