Por primera vez, los científicos ven cómo el agua almacena protones adicionales

Para hacer realidad la tecnología de energía de hidrógeno eficiente, desde la generación de hidrógeno a través de la electrólisis hasta las celdas de combustible químicas de próxima generación, los científicos necesitan saber exactamente cómo se mueven los átomos de hidrógeno individuales a través del agua.

Una molécula de agua neutra comprende dos átomos de hidrógeno unidos a un solo átomo de oxígeno, toda la estructura se dobla para dar a la molécula un lado parcialmente positivo y un lado parcialmente negativo, como un imán. Si pudiera acercarse a un vaso de agua, vería billones de moléculas de este tipo, junto con algunos átomos de hidrógeno individuales en exceso que han perdido sus electrones (en otras palabras, solo protones). Durante 200 años, los investigadores han teorizado que estos protones saltan de una molécula de agua a otra uniéndose a la molécula más cercana y expulsando uno de los protones que ya están unidos allí. Este protón luego se une con el próximo vecino. Ahora, un equipo de científicos en Beijing ha obtenido imágenes de tales partículas bajo un microscopio por primera vez, ayudando a iluminar cómo ocurren estos saltos.

Los modelos predijeron que este proceso ocurre con mayor frecuencia de dos maneras. En uno, un protón se une directamente a una sola molécula de agua, convirtiéndola de una molécula neutra en un ion positivo. Tres moléculas de agua neutra que las rodean se orientan de modo que sus lados parcialmente negativos estabilicen esta carga. En la otra opción, el protón adicional se ubica entre los extremos negativos de dos moléculas de agua neutras para que cada una comparta la carga de la carga positiva.

Los investigadores pudieron verificar estas orientaciones a través de microscopía de fuerza atómica, una técnica que genera imágenes al rastrear la punta nanoscópica de una aguja especializada sobre protuberancias en una superficie. Usando esta instrumentación, Jing Guo, química de la Universidad Normal de Beijing, y sus colegas, tomaron imágenes de una red de agua congelada de una molécula de profundidad en un trozo de metal y revelaron cómo los protones adicionales cambiaron esa red. Su trabajo fue publicado en Ciencias.

Se necesitaron mediciones increíblemente sensibles para diferenciar entre las dos configuraciones de agua. “La posición de los protones a lo largo del enlace de hidrógeno difería solo en unos 20 picómetros”, dice Guo, menos de la mitad de la longitud de un átomo de hidrógeno. “Estamos muy, muy emocionados de descubrir las imágenes subyacentes después de largas luchas”.

El equipo encontró que estas dos configuraciones ocurrieron en diferentes frecuencias y proporciones según el tipo de metal en el que se congeló el agua. También usaron electricidad para obligar al agua a cambiar entre las diferentes configuraciones. “Es muy sorprendente que puedan [directly] observen estas cosas”, dice Thomas Kuhn, químico teórico de la Universidad de Paderborn en Alemania, que no participó en este trabajo. “Abre la puerta para estudiar los mecanismos detrás [hydrogen generation],” él dice. “Y tal vez de eso salgan cosas buenas”.