Las moléculas de agua no saltan solas
¿Qué papel desempeña la red de enlaces de hidrógeno de las moléculas de agua en su dinámica? Una nueva investigación respaldada parcialmente por el proyecto HyBOP, financiado con fondos europeos, ha dado respuesta a esta pregunta. El estudio, publicado en la revista «Nature Communications», arroja luz sobre cómo la reorganización de la red de enlaces de hidrógeno está vinculada a la dinámica de reorientación colectiva en el agua líquida. «La red de enlaces de hidrógeno no es fija. Cambia continuamente debido a las fluctuaciones térmicas y otros factores que rompen y forman enlaces de hidrógeno individuales», explica el autor principal del estudio, el doctor Adu Offei-Danso, del Centro Internacional Abdus Salam de Física Teórica (ICTP, por sus siglas en inglés) en Italia, en un artículo reciente publicado en el sitio web del ICTP. Y añade: «Estas fluctuaciones de la red de enlaces de hidrógeno son cruciales para diversos procesos físicos, químicos y biológicos que tienen lugar en el agua líquida, y por eso es tan importante comprender su mecanismo microscópico».
¿Aislado o no?
Hace más de diez años, los investigadores descubrieron que las rotaciones de las moléculas de agua ―que se cree que desempeñan un papel importante en la dinámica de los enlaces de hidrógeno― no se producen en pequeños pasos difusos, sino que suelen implicar grandes saltos repentinos. «Se pensaba que estos saltos de gran angularidad eran sucesos aislados», señala el coautor del estudio, el doctor Ali Hassanali, también del ICTP. «Cuando se presentan estas rotaciones repentinas y rápidas, se produce una ruptura y formación de enlaces de hidrógeno con las moléculas vecinas. Por tanto, hay una alteración en la red local de enlaces de hidrógeno». Sin embargo, ¿qué ocurre con las demás moléculas de agua de la red cuando se producen estos saltos? ¿Permanecen invariables o participan activamente en un proceso más colectivo? «Esto es precisamente lo que queríamos averiguar», afirma Hassanali. Los científicos realizaron simulaciones por ordenador del agua líquida, adoptaron enfoques de física estadística para comprender el comportamiento colectivo y utilizaron técnicas de ciencia de datos para eludir o reducir la intervención humana. «Para demostrar si existe un proceso colectivo en la dinámica de reorientación del agua, primero teníamos que identificar una observación que pudiera capturar el movimiento angular brusco de las moléculas de agua», señala Offei-Danso. El equipo utilizó esta observación para desarrollar una herramienta que les permitió ver un gran número de saltos angulares que se producían simultáneamente en el sistema. «Y lo que es más, descubrimos que se producen de forma muy orquestada y coordinada», explica Offei-Danso. l doctor Uriel Morzan, coautor del estudio e investigador principal del ICTP, describe la fuerte interacción observada por el equipo entre la rotación angular de las moléculas de agua y los cambios en la topología y densidad de la red de enlaces de hidrógeno: «La imagen que se desprende de nuestros resultados es que, una vez que se produce un gran salto, tiene lugar una cascada de fluctuaciones de enlaces de hidrógeno». Estas fluctuaciones desencadenan a continuación una oleada de saltos angulares pequeños y grandes. «Nuestro análisis muestra reorientaciones colectivas y reordenaciones de la red que implican a varios grupos más grandes de moléculas cercanas repartidas por todo el sistema», concluye el doctor Alex Rodriguez, coautor y profesor adjunto en la Universidad de Trieste. El estudio sienta las bases para seguir investigando el papel de la dinámica cooperativa en diversos procesos físicos, químicos y biológicos. El proyecto HyBOP (Hydrogen Bond Networks as Optical Probes) de 5 años de duración, finaliza en 2027. Para más información, consulte: Proyecto HyBOP
Palabras clave
HyBOP, agua, molécula, enlace de hidrógeno, red de enlaces de hidrógeno, movimiento angular
