28 junio, 2023
El flujo de agua sobre la superficie del grafeno está sujeto a fricción cuántica, ya que se desplaza sobre una capa de átomos de carbono. Recientemente, se ha podido demostrar mediante técnicas ultrarrápidas un fenómeno inusual. Se cree que estos resultados podrían ser aplicados en procesos de purificación y desalinización del agua, así como también en ordenadores basados en líquidos.
En los últimos veinte años, los expertos han estado investigando el comportamiento del agua cerca de las superficies de carbono. Se ha descubierto que el agua fluye a una velocidad mayor a la esperada según las teorías convencionales y puede adoptar patrones inusuales, como la formación de hielo cuadrado. Estas observaciones han desconcertado a la comunidad científica y continúan siendo objeto de estudio.
Un reciente estudio publicado en Nature Nanotechnology por investigadores internacionales del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros de Maguncia (Alemania), el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2, España) y la Universidad de Manchester (Inglaterra) revela que el agua puede interactuar directamente con los electrones del carbono, un fenómeno cuántico poco común en la dinámica de fluidos. Este descubrimiento puede ofrecer nuevas perspectivas para entender cómo se comportan los líquidos a nivel microscópico y también podría tener aplicaciones prácticas en el campo de la tecnología y la química.
El agua y otros líquidos están compuestos por moléculas que se mueven al azar y chocan entre sí. Por otro lado, los sólidos tienen átomos dispuestos de forma ordenada y rodeados por una nube de electrones. Esta diferencia en la estructura atómica es lo que distingue a los estados líquido y sólido de la materia. Según lo que se sabe, la interacción entre los mundos sólido y líquido ocurre solamente cuando las moléculas líquidas chocan con los átomos sólidos. Es decir, las moléculas líquidas no son capaces de percibir los electrones presentes en el sólido.
Hace alrededor de un año, se presentó un estudio teórico que desafió la noción tradicional acerca de la interfaz agua-carbono. Este estudio sugiere que las moléculas del líquido interactúan con los electrones del sólido, produciendo una resistencia en el flujo del líquido. En otras palabras, estas fuerzas mutuas entre las moléculas y los electrones ralentizan el movimiento del líquido en esta interfase específica: este nuevo efecto se denominó fricción cuántica. Sin embargo, la propuesta teórica carecía de verificación experimental.
“Ahora hemos utilizado láseres para ver cómo funciona la fricción cuántica”, explica el autor principal del estudio, Nikita Kavokine, investigador del Instituto Max Planck de Maguncia y del Flatiron Institute de Nueva York.
El equipo estudió una muestra de grafeno —una monocapa de átomos de carbono dispuestos en forma de panal—. Utilizaron pulsos ultracortos de láser rojo (con una duración de sólo 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. Esta técnica se denomina espectroscopia de bomba óptica y sonda de terahercios.
Se ha descubierto que la nube de electrones del grafeno se enfría más rápido cuando se sumerge en agua, lo cual es sorprendente. Sin embargo, cuando el grafeno se sumerge en etanol, no hay una diferencia significativa 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”, afirma Kavokine.
Una explicación plausible es que los electrones calientes interactúan con las moléculas de agua y liberan su calor a través de la fricción cuántica, lo que resulta en un enfriamiento efectivo. Después de investigar en profundidad, los expertos desarrollaron una teoría interesante: se pudo comprobar que la fricción cuántica entre el agua y grafeno puede explicar los datos experimentales obtenidos.
“Es fascinante ver que la dinámica de las cargas del grafeno sigue sorprendiéndonos con mecanismos inesperados, esta vez relacionados con interacciones sólido-líquido con moléculas que no son otras que la omnipresente agua”, cuenta Klaas-Jan Tielrooij, profesor del ICN2 en España y TU Eindhoven en Países Bajos.
Lo que hace única al agua en este caso es su capacidad para sincronizar sus vibraciones, conocidas como “hidrones”, con las vibraciones de los electrones del grafeno, llamados “plasmones”. Esto permite que la transferencia de calor entre el grafeno y el agua aumente significativamente debido a un fenómeno llamado “resonancia”.
Los experimentos recientes han confirmado el mecanismo fundamental de la fricción cuántica en la interfaz sólido-líquido. Estos hallazgos tienen importantes implicaciones en procesos como la filtración y desalinización, donde la fricción cuántica podría ser utilizada para ajustar las propiedades de permeación de las membranas nanoporosas.
“Nuestros descubrimientos no sólo son interesantes para los físicos, sino que también tienen implicaciones potenciales para la electrocatálisis y la fotocatálisis en la interfaz sólido-líquido”, informa Xiaoqing Yu, estudiante de doctorado del Instituto Max Planck de Maguncia y primera autora del trabajo.
El reciente hallazgo se logró gracias a la combinación de un sistema experimental, una herramienta de medición y un marco teórico poco comunes juntos. Sin embargo, el próximo objetivo es poder controlar adecuadamente la interacción entre agua y electrón para maximizar su utilidad en diversos campos.
“Nuestro sueño es conseguir activar y desactivar la fricción cuántica a voluntad”, coemnta Kavokine, “y de esta forma, podríamos diseñar procesos de filtración de agua más inteligentes, o quizá incluso ordenadores basados en fluidos”.
* EP/Con información de: https://www.agenciasinc.es/
