Investigadores observan intercambios de enlaces de hidrógeno

Imagen de dímeros de H2O y D2O. El dímero de H2O parece fluctuar en la imagen debido a que intercambia enlaces de hidrógeno 60 veces más rápido que los dímeros de D2O. La diferencia de índices implica que el intercambio se realiza a través de tunelado cuántico. Crédito: Kumagai, et al.

Los enlaces de hidrógeno son bastante pequeños, a nivel de unos pocos angstroms. También pueden pasar entre dos moléculas distintas muy rápidamente, a velocidades de decenas de veces por segundo. Pero a pesar de estas propiedades, los investigadores recientemente han observado intercambios de enlaces de hidrógeno en tiempo real.

En un estudio publicado en Physical Review Letters, un equipo de químicos de la Universidad de Kyoto University y de la Universidad de Osaka, ambas en Japón, describen cómo usaron un microscopio de tunelado por barrido para observar directamente un intercambio de enlaces de hidrógeno teniendo lugar dentro de un dímero de agua (dos moléculas de H2O unidas). La observación proporciona una prueba que apoya el modelo en el cual el tunelado cuántico y las vibraciones moleculares desempeñan importantes papeles en el proceso de intercambio de enlaces de hidrógeno.

“La dinámica del intercambio de hidrógeno se visualiza a nivel de una única molécula en este trabajo”, dijo Hiroshi Okuyama de la Universidad de Kyoto a PhysOrg.com. “Estudios previos usaron divisiones espectrales para la reacción de intercambio. Esta [observación directa] nos permite mostrar claramente que el proceso implica tunelado cuántico y también puede ser promovido por una excitación vibratoria correlacionada. Este trabajo es, creo, de una importancia fundamental”.

Debido a que los dímeros de agua son el sistema más simple que contienen enlaces de hidrógeno, los investigadores a menudo los usan para investigar las propiedades de los sistemas ligados por hidrógeno. En el experimento actual, los investigadores prepararon dímeros de agua a partir de monómeros de agua (moléculas de H2O simples) en una superficie de cobre a 6 grados K. El dímero de agua unido a la superficie de cobre a través de los átomos de oxígeno de su molécula “donadora de enlace de hidrógeno”, junto con su molécula “aceptadora de enlace de hidrógeno” interactúa débilmente con el átomo de cobre adyacente. Los investigadores también sustituyen algunos de los dímeros de H2O con dímeros de deuterio, agua pesada, (D2O)2, en comparación.

Aunque los dímeros de D2O parecen estacionarios bajo el microscopio, los dímeros de H2O fluctúan continuamente. Como explican los científicos, estas fluctuaciones representan el rápido intercambio de enlaces de hidrógeno entre las dos moléculas de H2O cuando intercambian sus papeles de moléculas donadoras y aceptadoras. Reordenando los enlaces de hidrógeno que mantienen entre sí, las moléculas cambian entre estos dos papeles a un índice de unas 60 veces por segundo. La razón de que los dímeros de D20 no parezca fluctuar bajo el microscopio era debido a que su índice de intercambio de enlaces de hidrógeno era mucho menor, a sólo uno por segundo.

Esta diferencia en el índice, el cual los investigadores llaman efecto isótopo, significa que el intercambio debe superar una gran barrera de energía, una que es demasiado grande para los simples procesos térmicos. Esto implica que el intercambio se produce a través de tunelado cuántico. Tal y como explican los investigadores, los átomos de oxígeno en las moléculas deben estar desplazados de tal forma que dar a la molécula donadora y aceptadora casi la misma altura exacta – lo bastante cerca para que tenga lugar el tunelado. Cuando las moléculas están excitadas vibratoriamente de tal forma que tenga lugar el desplazamiento, el índice de intercambio se incrementa drásticamente.

Observando el intercambio de enlaces de hidrógeno en los dímeros de agua, los científicos pueden comprender mejor el papel que desempeña en muchas aplicaciones. Una de estas áreas, explicó Okuyama, son las reacciones catalíticas que tienen lugar en las superficie de electrodos, tales como las células de combustible.

“Las células de combustible montadas en coches futuros (y actuales) reducirá los gases de la combustión”, dijo. “La idea básica de la célula de combustible es una reacción electroquímica en las superficies de los electrodos, donde tienen lugar reacciones complejas con los productos y reactivos incluyendo agua como solvente. En el nivel microscópico, las moléculas de agua se adsorben en la superficie del electrodo, y de forma dinámica, rompen e intercambian sus enlaces de hidrógeno entre sí, promoviendo posiblemente la reacción del electrodo”.


Autor: Lisa Zyga
Fecha Original: 8 de mayo de 2008
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Comments (2)

  1. Investigadores observan intercambios de enlaces de hidrógeno…

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