El trabajo, coliderado por el ICMM-CSIC, resuelve una de las grandes controversias científicas sobre la interacción del agua con materiales que la repelen, como el grafito
Redacción
n estudio coliderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, del Consejo Superior de Investigaciones científicas (ICMM‑CSIC), ha descubierto por qué distintos laboratorios obtenían resultados opuestos al estudiar cómo se comporta el agua sobre el grafito, un material muy utilizado en sensores, filtración y dispositivos de energía. El equipo ha comprobado que el agua no llega a tocar la superficie del grafito, porque se deposita sobre ella una capa microscópica de moléculas orgánicas procedentes del aire (hidrocarburos), unos contaminantes comunes e invisibles que se adhieren espontáneamente a casi cualquier material.
Este efecto explica por qué algunos estudios veían agua en contacto directo con el grafito y otros detectaban un comportamiento muy distinto. El trabajo ha sido incluido en la lista de las publicaciones recientes más destacadas por la revista Nature Communications, donde se ha publicado.
La física cuántica establece que los átomos de dos objetos nunca llegan a tocarse realmente porque las nubes de electrones que los rodean generan fuerzas de repulsión que mantienen siempre una distancia mínima entre ellos. Por eso, en sentido estrictamente físico, ni siquiera al sentarnos entramos en contacto directo con una silla.
En un plano distinto, pero con una lógica similar de separaciones invisibles, este trabajo ha estudiado cómo se organiza el agua sobre superficies de grafito en condiciones ambientales reales. Y lo que ha descubierto es que “el agua nunca llega a colocarse en la superficie del material, porque se interpone una fina capa de dos o tres moléculas de hidrocarburos procedentes del entorno, y esto condiciona por completo las propiedades finales del material”, explica Ricardo García, investigador del CSIC en el ICMM-CSIC, que ha coliderado el trabajo.
Conocer cómo el agua interactúa con el grafito y cambia su estructura cuando se encuentra en contacto con superficies sólidas es clave para muchos procesos tecnológicos: “La capacidad de identificar la estructura realista de las interfaces sólido-agua es crucial para el diseño racional de sistemas que sirvan para conversión y almacenamiento de energía o la biodetección”, aclara García.
Estudiar estas interacciones en condiciones reales es todo un reto porque la estructura del agua puede estar afectada por muchos factores y su estudio es muy complejo, por lo que hasta ahora ninguna técnica había podido explicar los fenómenos que se estaban observando.
Microscopía de fuerza atómica
Ahora, gracias a la combinación de técnicas avanzadas de microscopía de fuerza atómica y de espectroscopía Raman (el estudio de la interacción entre la luz y la materia), este equipo internacional ha logrado observar a nivel atómico lo que ocurre cuando las moléculas de agua llegan al grafito. “Esa delgada capa de hidrocarburos, que normalmente sería irrelevante, a nivel molecular afecta a su superficie y cambia sus propiedades. Y esto permite explicar fenómenos que antes no cuadraban como, por ejemplo, que una membrana descontaminante fuera más lenta de lo esperado”. Detalla García.
El descubrimiento ha sido posible gracias a la microscopía de fuerza atómica tridimensional, una técnica en la que el grupo de Ricardo García, del ICMM-CSIC, es pionero y se encuentra a la vanguardia mundial, especialmente en su aplicación al estudio de interfaces sólido‑agua. En la microscopía de fuerza atómica tridimensional, una punta diminuta, de apenas unos átomos de grosor, interactúa con el líquido que cubre la superficie del material. Esto permite ver los átomos y, al mismo tiempo, “tocar” y estudiar cómo se comportan, con un nivel de detalle que no se había logrado hasta ahora.
El grafito es una de las formas del carbono en la naturaleza. Y este estudio ha analizado precisamente la interacción entre al agua y el grafito porque las interfaces agua-carbón son de las más importantes para aplicaciones como el almacenamiento de energía, la producción de energía limpia (electrocatálisis), la biodetección de contaminantes o la desalinización de aguas. “Además, usamos un sistema que garantiza mediciones reproducibles en diferentes laboratorios”, agrega en relación a la relevancia y replicabilidad de su estudio.
Los investigadores esperan que los resultados de este trabajo se apliquen a otras interacciones de agua con sólidos. Esto significa que, igual que ocurre con el grafito, muchos otros sólidos pueden acumular en su superficie capas invisibles del ambiente que modifican la interacción del agua con ellos. “La mayoría de los materiales sólidos como semiconductores o metales pueden aumentar su hidrofobicidad (repulsión al agua que impide que ésta se adhiera a la superficie) al exponerse al aire. Ahora sabemos que, en esos casos, una barrera de hidrocarburos se interpone entre su superficie y el agua”, concluye este experto
Fuente: CSIC
