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Nuevos Conocimientos sobre Cómo Viajan los Electrones en el Agua

Como la mecánica cuántica dota a las partículas de propiedades sorprendentes, permite explicar procesos físicos como la electrólisis. Mientras que la termodinámica da cuenta de ellos, independientemente de cualquier mecanismo, la mecánica cuántica proporciona una explicación coherente de los flujos de electrones que atraviesan la interfaz entre un conductor metálico y un medio acuoso.  Entender cómo viajan los electrones es importante en muchos campos: la producción de hidrógeno, la microscopía de barrido en túnel ambiental, la microscopía electroquímica de barrido y las aplicaciones de biosensores.

Las aplicaciones de biosensores son un campo de investigación muy prometedor. Los biosensores pueden definirse como un dispositivo analítico que convierte una respuesta biológica en una señal eléctrica. Estos sensores deben ser altamente específicos, independientes de parámetros físicos como el pH y la temperatura y deben ser reutilizables. La fabricación de biosensores, su material y los dispositivos transductores son muy complejos y requieren una investigación multidisciplinaria en química, biología e ingeniería. Los nuevos avances en la comprensión de cómo viajan los electrones en el agua supondrán un gran paso adelante.

Los procesos de transferencia de carga que se producen cuando el agua se coloca entre electrodos metálicos a los que se aplica un voltaje, determinan la relación voltaje-corriente, que es fundamental para la biodetección de las interacciones moleculares en las interfaces. En un estudio reciente, investigadores de Sidney analizaron estos mecanismos cuánticos con el tunelado de electrones en la solución y sus condiciones.

Esquema de electrodos de oro sumergidos en agua pura que muestra la configuración de iones. Las cargas positivas en la solución representan iones de hidronio disueltos y las cargas negativas representan iones de hidróxido disueltos. El sombreado azul indica las moléculas de agua neutras. La interpretación de las contribuciones a los transitorios de encendido y apagado, con recuadros que indican el movimiento de los iones cerca de la superficie del cátodo y la clasificación de las cargas. La zona rosa del encendido representa Q, la suma de q1 y q2 y la zona rosa del encendido-off representa sólo q2, mientras que las líneas rojas son las correspondientes corrientes de encendido y off en estado estacionario que se muestran en el recuadro para 100 s después del encendido-off.

El equipo dirigido por el profesor McKenzie midió los flujos de corriente de bajo voltaje entre dos electrodos de oro colocados en agua pura. Evaluaron la contribución relativa a la corriente constante derivada del tunelado de electrones. Sus resultados mostraron que el tunelaje cuántico de electrones hacia y desde los iones de la solución cerca de los electrodos es la mayor contribución a la corriente medida. Apoyaron esta afirmación con un nuevo modelo cuántico que concuerda con las observaciones.

Esto sienta las bases de métodos nuevos y más rápidos para detectar impurezas biomédicas en el agua, con implicaciones potencialmente importantes para las técnicas de biosensores. [...] Una mejor comprensión de la electrólisis es cada vez más importante para las aplicaciones en energías alternativas en lo que a veces se llama la "economía del hidrógeno".

Profesor McKenzie, Instituto Australiano de Ciencia y Tecnología a Nanoescala, Universidad de Sidney

Su modelo parte de la base de que existen múltiples vías unidimensionales de tunelización paralelas vinculadas a la estructura macroscópica del agua ionizada. Sus hallazgos contribuirán al desarrollo de la biodetección en las interfaces del agua.

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