“Agua cuántica” descubierta en nanotubos de carbono

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Un nuevo estado cuántico del agua encontrado en los nanotubos de carbono podría tener importantes implicaciones para la vida.

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

Agua


El agua tiene un extraño conjunto de propiedades que no comparte con el resto de compuestos químicos. Un ejemplo famoso es que el agua se expande cuando se congela, asegurando que el hielo flota en lugar de hundirse. Esto es importante debido a que, de no ser así, lagos y océanos se congelarían de abajo a arriba, haciendo que fuese difícil que sobreviviese y evolucionase la vida compleja.

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

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

El soporte de esto es que los electrones en las moléculas donante y el receptor de los enlaces de hidrógeno son indistinguibles, lo que significa que pueden viajar de una molécula a la siguiente. Cuando las moléculas se confinan de cierto modo, puede extenderse a lo largo de cierta distancia, en un sólido por ejemplo.

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

Esto genera una importante cuestión: ¿cómo difiere el comportamiento de las moléculas en esta red electrónica respecto al de las moléculas en agua normal que interactúan de una manera común?

Reiter y compañía dicen haber medido las propiedades del agua confinada en el diminuto espacio dentro de los nanotubos de carbono a temperatura ambiente, y encontraron importantes diferencias. Han realizado esto llenando los nanotubos con agua y bombardeándolos con un intenso haz de neutrones en el Laboratorio Rutherford Appleton en el Reino Unido. La forma en que se dispersan los neutrones revela en momento de los protones dentro de los nanotubos.

Resulta que los protones en este agua nano-confinada a temperatura ambiente se comportan de una forma totalmente distinta a como lo hacen en el agua normal. Los protones se sabe que son sensibles a los campos electrónicos a su alrededor. Por lo que cuando estos campos se forman en redes electrónicas inusuales, no es sorprendente que los protones se comporten de forma distinta.

“Los desvíos de la distribución de momento de los protones de la del agua normal son tan grandes, que creemos que el agua nano-confinada puede describirse adecuadamente como la que está en un estado base cuántico diferente cualitativamente de la del agua normal”, comentan.

Incluso sugieren que podría haber algún tipo de coherencia cuántica que se extiende a través de la red electrónica. De ser este el casi, debería ser posible medir cómo se produce la decoherencia en futuros experimentos.

Esto es algo grande. Reiter y compañía eligieron los nanotubos de carbono debido a que son 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 han sabido desde 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. Tal vez este nuevo estado cuántico es la razón de esto.

Reiter y sus colegas dicen que este agua cuántica sólo puede existir cuando está rodeada de moléculas neutras tales como el carbono de los nanotubos, y no en presencia de materiales mucho más comúnmente estudiados, tales como membranas de intercambio de protones como Nafion. Está hecha de moléculas que conducen los protones de una forma totalmente diferente, y por lo tanto, previene la formación del agua cuántica.

La implicación, por supuesto, es que las membranas de intercambio de protones usadas en todo, desde la producción de compuestos químicos a las células de combustible podría mejorarse drásticamente usando un material neutro basado en el carbono.

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


Artículo de Referencia: arxiv.org/abs/1101.4994: Evidence Of A New Quantum State Of Nano-Confifined Water
Fecha Original: 28 de enero de 2011
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