Durante los últimos 20 años, los científicos han estado desconcertados por cómo se comporta el agua cerca de las superficies de carbono.
Un equipo de científicos internacionales con participación española demostró empíricamente por primera vez que el agua puede "hablar" con los electrones del grafeno, confirmando la teoría de la "fricción cuántica", lo que podría dar lugar a aplicaciones para purificar y desalinizar agua o incluso a ordenadores basados en líquidos.
La investigación, que publica hoy la revista Nature Nanotechnology, demuestra experimentalmente el fenómeno de la "fricción cuántica", predicho en un estudio teórico previo, en la interfaz entre el agua líquida y el grafeno, material hecho por una única capa de átomos de carbono.
Durante los últimos 20 años, los científicos han estado desconcertados por cómo se comporta el agua cerca de las superficies de carbono, ya que puede fluir mucho más rápido de lo que se esperaría según las teorías convencionales del flujo o formar extrañas disposiciones, como el hielo cuadrado.
Ahora, un equipo internacional de investigadores del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros de Maguncia (Alemania), del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2, España) y la Universidad de Manchester (Inglaterra) demostró por primera vez que el agua puede interactuar directamente con los electrones del carbono, en un fenómeno cuántico que consideran "muy poco habitual" en la dinámica de fluidos.
Los investigadores del ICN2 recordaron en un comunicado que un líquido, como el agua, está formado por pequeñas moléculas que se mueven al azar y chocan constantemente entre sí, y un sólido, en cambio, está formado por átomos ordenados sumergidos en una nube de electrones.
Hasta ahora, se suponía que los mundos sólido y líquido solo interactúan mediante colisiones de las moléculas líquidas con los átomos del sólido: las moléculas líquidas no "ven" los electrones del sólido.
Sin embargo, hace poco más de un año, un estudio teórico cambió este paradigma y propuso que las moléculas del líquido y los electrones del sólido se empujan y tiran unos de otros, ralentizando el flujo del líquido: un nuevo efecto que denominaron "fricción cuántica", aunque la propuesta teórica carecía de verificación experimental.
"Ahora hemos utilizado láseres para ver cómo funciona la fricción cuántica", detalló el investigador del Instituto Max Planck y del Flatiron Institute de Nueva York Nikita Kavokine.
El equipo estudió una muestra de grafeno -una monocapa de átomos de carbono dispuestos en forma de panal- y utilizaron pulsos ultracortos de láser rojo con una duración de solo una millonésima de milmillonésima de segundo para calentar instantáneamente la nube de electrones del grafeno.
A continuación, controlaron su enfriamiento con pulsos láser de terahercios, sensibles a la temperatura de los electrones del grafeno, técnica que se denomina espectroscopia de bomba óptica y sonda de terahercios.
Para su sorpresa, la nube de electrones se enfrió más rápido cuando el grafeno se sumergió en agua, mientras que la inmersión del grafeno en etanol no supuso ninguna diferencia en la velocidad de enfriamiento.
"Esto era otro indicio de que la pareja agua-carbono es especial, pero aún teníamos que entender qué ocurría exactamente", puntualizó Kavokine.
Una posible explicación era que los electrones calientes empujan y tiran de las moléculas de agua para liberar parte de su calor, es decir, se enfrían por fricción cuántica.
Los investigadores profundizaron en la teoría y vieron que la fricción cuántica agua-grafeno podía explicar los datos experimentales.
"Es fascinante ver que la dinámica de las cargas del grafeno sigue sorprendiéndonos con mecanismos inesperados, esta vez relacionados con interacciones sólido-líquido", destacó el investigador del ICN2 Klaas-Jan Tielrooij.
Según el científico, lo que hace especial al agua en este caso es que sus vibraciones, denominadas hidrones, están en sincronía con las vibraciones de los electrones del grafeno, denominadas plasmones, de modo que la transferencia de calor grafeno-agua aumenta gracias a un efecto conocido como resonancia.
Los experimentos confirman así el mecanismo básico de la fricción cuántica sólido-líquido.
Según los investigadores, esto tendrá implicaciones para los procesos de filtración y desalinización, en los que la fricción cuántica podría utilizarse para ajustar las propiedades de permeación de las membranas nanoporosas.
El descubrimiento, según sus autores, no solo es interesante para los físicos, sino que también tienen implicaciones potenciales para la electrocatálisis y la fotocatálisis en la interfaz sólido-líquido.
"Ahora, el reto consiste en controlar la interacción agua-electrón y conseguir activar y desactivar la fricción cuántica a voluntad para poder diseñar procesos de filtración de agua más inteligentes, o quizá incluso ordenadores basados en fluidos", concluyeron los científicos.