Observan por primera vez cómo se forma el agua a escala molecular

Por primera vez, investigadores han presenciado, en tiempo real y a escala molecular, la fusión de átomos de hidrógeno y oxígeno para formar pequeñas burbujas de agua de tamaño nanométrico.

El evento ocurrió como parte de un nuevo estudio de la Universidad Northwestern de EE.UU, durante el cual los científicos buscaron comprender cómo el paladio, un elemento metálico raro, cataliza la reacción gaseosa para generar agua. Al presenciar la reacción a escala nanométrica, el equipo de Northwestern ha desentrañado cómo ocurre el proceso e incluso descubrió nuevas estrategias para acelerarlo.

Debido a que la reacción no requiere condiciones extremas, los investigadores dicen que podría aprovecharse como una solución práctica para generar agua rápidamente en entornos áridos, incluso en otros planetas.

La investigación se publicó en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

«Al visualizar directamente la generación de agua a escala nanométrica, pudimos identificar las condiciones óptimas para la generación rápida de agua en condiciones ambientales», dijo en un comunicado Vinayak Dravid, autor principal del estudio. «Estos hallazgos tienen implicaciones importantes para aplicaciones prácticas, como permitir la generación rápida de agua en entornos del espacio profundo utilizando gases y catalizadores metálicos, sin requerir condiciones de reacción extremas».

Como en la película 'Marte'

«Piense en el personaje de Matt Damon, Mark Watney, en la película Marte. Quemó combustible para cohetes para extraer hidrógeno y luego agregó oxígeno de su oxigenador. Nuestro proceso es análogo, excepto que evitamos la necesidad de fuego y otras condiciones extremas. Simplemente mezclamos paladio y gases juntos».

Dravid es profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y director fundador del Centro de Caracterización Experimental Atómica y a Nanoescala (NUANCE) de la Universidad Northwestern, donde se realizó el estudio. También es director de iniciativas globales en el Instituto Internacional de Nanotecnología.

Desde principios del siglo XX, los investigadores han sabido que el paladio puede actuar como catalizador para generar agua rápidamente. Pero la forma exacta en la que ocurre esta reacción ha sido un misterio.

«Es un fenómeno conocido, pero nunca se entendió por completo», dijo Yukun Liu, el primer autor del estudio y candidato a doctorado en el laboratorio de Dravid. «Porque realmente necesitas poder combinar la visualización directa de la generación de agua y el análisis de la estructura a escala atómica para averiguar qué está sucediendo con la reacción y cómo optimizarla».

Pero ver el proceso con precisión atómica era simplemente imposible, hasta hace nueve meses. En enero de 2024, el equipo de Dravid presentó un nuevo método para analizar moléculas de gas en tiempo real. Dravid y su equipo desarrollaron una membrana vítrea ultradelgada que contiene moléculas de gas dentro de nanorreactores con forma de panal, para que puedan verse dentro de microscopios electrónicos de transmisión de alto vacío.

Con la nueva técnica, publicada previamente en Science Advances, los investigadores pueden examinar muestras en gas a presión atmosférica con una resolución de solo 0,102 nanómetros, en comparación con una resolución de 0,236 nanómetros utilizando otras herramientas de última generación. La técnica también permitió, por primera vez, el análisis simultáneo de información espectral y recíproca.

«Usando la membrana ultradelgada, estamos obteniendo más información de la propia muestra», dijo Kunmo Koo, primer autor del artículo de Science Advances e investigador asociado en el Centro NUANCE, donde es asesorado por el profesor asociado de investigación Xiaobing Hu. «De lo contrario, la información del recipiente grueso interfiere con el análisis».

Utilizando la nueva tecnología, Dravid, Liu y Koo examinaron la reacción del paladio. Primero, vieron cómo los átomos de hidrógeno entraban en el paladio, expandiendo su red cuadrada. Pero cuando vieron que se formaban pequeñas burbujas de agua en la superficie del paladio, los investigadores no podían creer lo que veían sus ojos.

«Creemos que podría ser la burbuja más pequeña jamás formada que se haya visto directamente», dijo Liu. «No es lo que esperábamos. Afortunadamente, lo estábamos grabando, así que pudimos demostrar a otras personas que no estábamos locos».

«Éramos escépticos», agregó Koo. «Necesitábamos investigar más para demostrar que en realidad era agua lo que se formaba».

El equipo implementó una técnica, llamada espectroscopia de pérdida de energía de electrones, para analizar las burbujas. Al examinar la pérdida de energía de los electrones dispersos, los investigadores identificaron características de unión de oxígeno exclusivas del agua, lo que confirmó que las burbujas eran, en efecto, agua. Luego, los investigadores verificaron este resultado calentando la burbuja para evaluar el punto de ebullición.

«Es un análogo a escala nanométrica del experimento del explorador lunar Chandrayaan-1, que buscaba evidencia de agua en el suelo lunar», dijo Koo. «Mientras inspeccionaba la luna, utilizó espectroscopia para analizar e identificar moléculas dentro de la atmósfera y en la superficie. Adoptamos un enfoque espectroscópico similar para determinar si el producto generado era, de hecho, agua».

Después de confirmar que la reacción del paladio generaba agua, los investigadores buscaron optimizar el proceso. Agregaron hidrógeno y oxígeno por separado en diferentes momentos o los mezclaron para determinar qué secuencia de eventos generaba agua a la velocidad más rápida.

Dravid, Liu y Koo descubrieron que agregar primero hidrógeno, seguido de oxígeno, conducía a la velocidad de reacción más rápida. Debido a que los átomos de hidrógeno son tan pequeños, pueden comprimirse entre los átomos de paladio, lo que hace que el metal se expanda. Después de llenar el paladio con hidrógeno, los investigadores agregaron gas oxígeno.