Durante más de 100 años, los científicos han debatido cuál es la estructura molecular subyacente del agua, y la opinión común ha sido que H 2 Las moléculas O son "similares al agua" o "similares al hielo". Ahora, a través de la simulación por computadora realizada en el Instituto de Ciencias Computacionales Avanzadas IACS de la Universidad Stony Brook, los investigadores pueden ilustrar que la estructura y la dinámica de los enlaces de hidrógeno enel agua líquida es más similar al hielo de lo que se pensaba anteriormente
El hallazgo, publicado en Comunicaciones de la naturaleza , cambia la comprensión común de la naturaleza molecular del agua y tiene relevancia para muchos campos, como la ciencia del clima y la biofísica molecular, y tecnologías como la desalinización y la producción de energía a base de agua.
En física de la materia condensada, los fonones se consideran un fenómeno de estado sólido y se pueden visualizar como vibraciones colectivas que se propagan a través de un material. Más precisamente, un fonón es la unidad mecánica cuántica fundamental de la vibración reticular. Los fonones ópticos son un tipode fonones que interactúan con la radiación electromagnética. Estos pueden visualizarse como picos en el espectro de absorción infrarroja en el hielo.
En el documento, "La red de agua de enlace de hidrógeno es compatible con la propagación de modos ópticos de fonón", autor principal Daniel C. Elton, un candidato a doctorado, y Marivi Fernández-Serra, PhD, profesora asociada, en el Departamento de Físicay Astronomy and IACS, muestran que pueden existir vibraciones o fonones en propagación en el agua, al igual que en el hielo.
"Ningún microscopio puede permitirnos ver directamente el comportamiento de las moléculas de agua y su patrón de enlace de hidrógeno. Por lo tanto, al simular el agua líquida utilizando las leyes fundamentales de la física, la estructura y el movimiento de las moléculas en el agua se pueden analizar en gran detalle más alláqué microscopios pueden revelar del agua líquida ", dijo Elton." Nuestro método involucró datos experimentales y simulaciones extensas de dinámica molecular, y descubrimos que el acoplamiento de fonón óptico conduce a picos de absorción similares que también se encuentran en el hielo ".
Los autores utilizaron un nuevo grupo de computadoras de alta potencia en el IACS de Stony Brook para crear las simulaciones de dinámica del agua. Al centrarse en la red única de enlaces de hidrógeno del agua, demostraron rutinariamente que los modos ópticos similares a los fonones pueden propagar la red de enlaces de hidrógeno, tal comoen hielo. Sin embargo, a diferencia del hielo, los enlaces de hidrógeno en el agua se rompen y reforman constantemente, por lo que los fonones solo duran aproximadamente una billonésima de segundo pero pueden viajar largas distancias de hasta dos nanómetros.
"Nuestros hallazgos desafían las ideas más antiguas sobre la dinámica del agua, que caracterizó los picos en el espectro de absorción como debido a los movimientos vibratorios de a lo sumo unas pocas moléculas, como en el hielo", dijo el profesor Fernández-Serra. "Encontramos picos de agua enLos espectros corresponden a dos tipos diferentes de fonones, llamados longitudinales y transversales. El cambio de la posición de los picos longitudinales y transversales con la temperatura puede estar relacionado con importantes cambios estructurales en la red de enlaces de hidrógeno, lo que proporciona una nueva ventana sobre cómo cambia la estructura del aguacon temperatura "
Además, al comparar varias técnicas de simulación diferentes, los autores también encontraron que los modelos actuales de agua no polarizables utilizados en biofísica no logran capturar los fonones ópticos de mayor frecuencia. Este trabajo se basa en su trabajo anterior, que mostró que los modelos polarizables son másprecisa que los modelos no polarizables más utilizados.
La investigación está financiada en parte por subvenciones del Departamento de Energía de EE. UU.
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Materiales proporcionado por Universidad de Stony Brook . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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