Un flujo de agua sobre una superficie de átomos de carbono, como la que constituye el grafeno, se rige por una fricción cuántica
Durante los últimos 20 años, los científicos han estado desconcertados por cómo se comporta el agua cerca de las superficies de carbono. Puede fluir mucho más rápido de lo que se esperaría según las teorías convencionales del flujo o formar extrañas disposiciones, como el hielo cuadrado.
Ahora, un equipo internacional de investigadores del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros de Maguncia (Alemania), el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2, España) y la Universidad de Manchester (Inglaterra) informa en un estudio publicado en Nature Nanotechnology que el agua puede interactuar directamente con los electrones del carbono: un fenómeno cuántico muy poco habitual en la dinámica de fluidos.
Un líquido, como el agua, está formado por pequeñas moléculas que se mueven al azar y chocan constantemente entre sí. Un sólido, en cambio, está formado por átomos ordenados inmergidos en una nube de electrones. Se supone que los mundos sólido y líquido sólo interactúan mediante colisiones de las moléculas líquidas con los átomos del sólido: las moléculas líquidas no “ven” los electrones del sólido.
Sin embargo, hace poco más de un año, un estudio teórico que cambió este paradigma propuso que, en la interfase agua-carbono, las moléculas del líquido y los electrones del sólido se empujan y tiran unos de otros, ralentizando el flujo del líquido: este nuevo efecto se denominó fricción cuántica. Sin embargo, la propuesta teórica carecía de verificación experimental.
“Ahora hemos utilizado láseres para ver cómo funciona la fricción cuántica”, explica el autor principal del estudio, Nikita Kavokine, investigador del Instituto Max Planck de Maguncia y del Flatiron Institute de Nueva York.
El equipo estudió una muestra de grafeno —una monocapa de átomos de carbono dispuestos en forma de panal—. Utilizaron pulsos ultracortos de láser rojo (con una duración de sólo una millonésima de milmillonésima de segundo) para calentar instantáneamente la nube de electrones del grafeno. A continuación, controlaron su enfriamiento con pulsos láser de terahercios, sensibles a la temperatura de los electrones del grafeno. Esta técnica se denomina espectroscopia de bomba óptica y sonda de terahercios.
Para su sorpresa, la nube de electrones se enfrió más rápido cuando el grafeno se sumergió en agua, mientras que la inmersión del grafeno en etanol no supuso ninguna diferencia en la velocidad de enfriamiento. “Esto era otro indicio de que la pareja agua-carbono es especial, pero aún teníamos que entender qué ocurría exactamente”, afirma Kavokine.
Una posible explicación era que los electrones calientes empujan y tiran de las moléculas de agua para liberar parte de su calor: en otras palabras, se enfrían por fricción cuántica. Los investigadores profundizaron en la teoría y, efectivamente: la fricción cuántica agua-grafeno podía explicar los datos experimentales.
“Es fascinante ver que la dinámica de las cargas del grafeno sigue sorprendiéndonos con mecanismos inesperados, esta vez relacionados con interacciones sólido-líquido con moléculas que no son otras que la omnipresente agua”, comenta el profesor Klaas-Jan Tielrooij, del ICN2 en España y TU Eindhoven en Países Bajos.
Lo que hace especial al agua en este caso es que sus vibraciones, denominadas 'hidrones', están en sincronía con las vibraciones de los electrones del grafeno, denominadas plasmones, de modo que la transferencia de calor grafeno-agua aumenta gracias a un efecto conocido como resonancia.
Implicaciones potenciales
Los experimentos confirman así el mecanismo básico de la fricción cuántica sólido-líquido. Esto tendrá implicaciones para los procesos de filtración y desalinización, en los que la fricción cuántica podría utilizarse para ajustar las propiedades de permeación de las membranas nanoporosas.
“Nuestros descubrimientos no sólo son interesantes para los físicos, sino que también tienen implicaciones potenciales para la electrocatálisis y la fotocatálisis en la interfaz sólido-líquido”, afirma Xiaoqing Yu, estudiante de doctorado del Instituto Max Planck de Maguncia y primera autora del trabajo.
El descubrimiento se debe a la combinación de un sistema experimental, una herramienta de medición y un marco teórico que rara vez van de la mano. Ahora, el reto consiste en controlar la interacción agua-electrón.
“Nuestro sueño es conseguir activar y desactivar la fricción cuántica a voluntad”, afirma Kavokine, “y de esta forma, podríamos diseñar procesos de filtración de agua más inteligentes, o quizá incluso ordenadores basados en fluidos”.
Referencia bibliográfica: Xiaoqing Yu, et al. "Electron cooling in graphene enhanced by plasmon-hydron resonance", Nature Nanotechnology, 2023.
