Científicos del RIKEN junto al equipo de espectroscopía infrarroja, instrumento clave para identificar la estructura molecular elusiva de dos moléculas de agua. Los investigadores de RIKEN han aislado y observado cationes dímeros de agua (esferas rojas: átomos de oxígeno; esferas blancas: átomos de hidrógeno) dentro de nanogotitas de helio (gran esfera azul) y han determinado las estructuras de los isómeros. - 2024 A. IGUCHI ET AL.
En un hito para la ciencia, el equipo del instituto japonés RIKEN ha desentrañado uno de los misterios más persistentes de la química, prometiendo avances en la comprensión de procesos desde la astroquímica hasta la corrosión de metales.
En un avance científico que promete profundizar nuestro entendimiento sobre reacciones químicas fundamentales, investigadores del instituto RIKEN en Japón han logrado aislar una estructura molecular largamente teorizada pero nunca antes vista, involucrando a dos moléculas de agua. Este hallazgo, publicado recientemente en The Journal of Physical Chemistry Letters, podría tener un impacto significativo en campos tan diversos como la astroquímica y la prevención de la corrosión de metales.
La investigación se centra en un proceso conocido como ionización del agua, donde un fotón energético o partícula elimina un electrón de una molécula de agua, resultando en la creación de un ion positivo (catión; H2O+) y un electrón libre. Este fenómeno no solo es crucial para comprender procesos biológicos y la química de la radiación, sino que también juega un papel importante en la corrosión que ocurre en las interfaces entre agua y metales.
Según predicciones teóricas, la ionización de una molécula de agua debería resultar rápidamente en la formación de dos isómeros de un ion dímero de agua – dos moléculas de agua unidas por un enlace débil. Un isómero, conocido por la transferencia de un protón de una molécula de agua a otra, ya había sido observado. Sin embargo, el otro isómero, con una estructura semienlazada (H2O OH2)+, había eludido la confirmación experimental hasta ahora.
El equipo liderado por Susumu Kuma, del Laboratorio de Física Atómica, Molecular y Óptica de RIKEN, logró aislar ambos iones dímeros de agua mediante su captura en diminutas gotas de helio a temperaturas extremadamente bajas. La espectroscopía infrarroja fue entonces empleada para determinar las estructuras de estos iones.
El enfoque innovador del equipo involucró el uso de un ambiente ultrafrío para estabilizar los isómeros dentro de las gotas de helio. Esta técnica permitió la formación del isómero semienlazado metaestable, proporcionando una oportunidad única para su estudio.
Los investigadores confirmaron la coexistencia de los dos isómeros mediante técnicas computacionales y espectroscópicas, demostrando que las firmas espectroscópicas de los iones moleculares coincidían casi exactamente con las de los cálculos químicos cuánticos. Este resultado es crucial, ya que permite comparaciones directas entre mediciones experimentales y teóricas, facilitando el análisis estructural de los dímeros de agua.
El descubrimiento de los cationes de agua semienlazados abre nuevas avenidas para la investigación en química de la radiación del agua y otros campos relacionados. Según Kuma, este hallazgo promueve el estudio de eventos primarios esenciales para una comprensión más profunda de la química involucrada en la ionización del agua y sus efectos.
Mirando hacia el futuro, el equipo de Kuma tiene planes ambiciosos para identificar otras estructuras moleculares inéditas, expandiendo el tamaño de los complejos de cationes de agua en gotas de helio. La esperanza es descubrir estructuras químicas importantes que hasta ahora han permanecido ocultas, potencialmente revelando más secretos sobre las interacciones moleculares fundamentales que rigen nuestro mundo natural.
Este trabajo no solo destaca el ingenio y la dedicación de los científicos involucrados, sino que también subraya la importancia de la investigación básica para el avance del conocimiento científico y su aplicación en múltiples disciplinas. Con cada descubrimiento como este, damos un paso más hacia la comprensión de los misterios de nuestro universo a nivel molecular.