La comprensión del comportamiento del agua en interfaces hidrofóbicas ha sido un enigma para la comunidad científica durante más de un siglo. Esta dificultad abarca múltiples disciplinas, desde la química hasta la biología, pasando por la ciencia de materiales y la ingeniería. Recientemente, un estudio publicado en la prestigiosa revista Nature ha desafiado antiguos conceptos sobre la naturaleza «inerte» de las superficies hidrofóbicas, arrojando luz sobre el papel crucial que desempeña el agua interfacial.
Los investigadores han utilizado una innovadora combinación de espectroscopia Raman de alta resolución y algoritmos de resolución de curvas multivariantes (MCR) para desentrañar la estructura molecular desordenada y los campos electrostáticos ultraltos (aproximadamente 40-90 MV/cm) en las interfaces mesoscópicas de agua y aceite. Este enfoque ha permitido realizar mediciones a escala nanométrica en emulsiones de aceite y agua, logrando así avances significativos en la comprensión de la química del agua en microgotas.
Descubrimientos clave del estudio
Los hallazgos más destacados de esta investigación incluyen:
- Desorden estructural: La característica señal de estiramiento OH a 3250 cm⁻¹, típica de las redes de enlaces de hidrógeno tetraédricos, prácticamente desapareció en las interfaces de las gotas de aceite. Este fenómeno indica un desorden estructural considerable, donde aproximadamente el 25% de las moléculas de agua interfacial presentan grupos OH «libres» no unidos, un descubrimiento que contradice las predicciones clásicas de capas ordenadas similares al hielo.
- Campos eléctricos ultraltos: A través del análisis de los desplazamientos de resonancia (3575 cm⁻¹) de los enlaces OH libres, los autores del estudio cuantificaron los campos electrostáticos interfaciales, que rivalizan con los presentes en los sitios activos de las enzimas. Esto sugiere que la distribución de carga, como la adsorción de hidróxido o la transferencia de carga entre el aceite y el agua, es el principal mecanismo detrás de estas observaciones.
- Implicaciones catalíticas: Los cálculos basados en la teoría del estado de transición mostraron que estos campos pueden reducir la energía libre de activación en aproximadamente 4.8 kcal/mol, acelerando las tasas de reacción en más de 3,000 veces a temperatura ambiente. Esto proporciona una base mecánica para comprender la química de las microgotas de agua y explica reacciones redox que no requieren catalizadores en el ámbito de la electrocatalisis por contacto.
El descubrimiento de interfaces desordenadas y campos eléctricos colosales podría transformar nuestra comprensión de procesos biológicos, como la agregación de proteínas y las interacciones en membranas. Además, tiene el potencial de revolucionar tecnologías en áreas tan diversas como generadores triboeléctricos, nucleación de aerosoles atmosféricos, purificación de agua y remediación de derrames de petróleo.
El trabajo, titulado «Estructura del agua y campos eléctricos en la interfaz de gotas de aceite», fue desarrollado por un equipo colaborativo liderado por el profesor Wei Min de la Universidad de Columbia y la profesora Teresa Head-Gordon de la Universidad de California en Berkeley. Entre los co-autores se encuentran el Dr. Lixue Shi y el Dr. Allen LaCour, junto con importantes contribuciones de Naixin Qian, Joseph Heindel, Xiaoqi Lang y Ruoqi Zhao.
Más información: Lixue Shi et al, Water structure and electric fields at the interface of oil droplets, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08702-y
