Un artículo titulado «Dissecting the hydrogen bond network of water: Charge transfer and nuclear quantum effects» (DOI: 10.1126/science.ads4369) aborda uno de los grandes enigmas en la química del agua: la complejidad de su red de enlaces de hidrógeno (H). A pesar de décadas de investigación, comprender a fondo las interacciones dentro de esta red sigue siendo un desafío.
Los autores presentan un avance significativo mediante el uso de una técnica innovadora llamada espectroscopía vibracional correlacionada (CVS), que combina el análisis de transiciones infrarrojas y Raman para estudiar las vibraciones de estiramiento y flexión en las moléculas de agua. Esto les permitió acceder a fenómenos como la transferencia de carga y los efectos cuánticos nucleares (NQE, por sus siglas en inglés), aspectos que no podían ser observados con métodos espectroscópicos convencionales.
El agua se caracteriza por una red tridimensional de enlaces de hidrógeno, en la que cada molécula forma múltiples enlaces. Estos enlaces no son independientes, ya que las interacciones dentro de un enlace influyen en los demás. Además, en cada enlace ocurre una transferencia parcial de carga electrónica entre las moléculas, un fenómeno central en sus propiedades únicas. Otro aspecto crucial es la deslocalización de protones, un efecto cuántico nuclear que contribuye a las propiedades emergentes del agua. Estos efectos, que abarcan tanto distancias cortas como largas, son clave para entender el papel del agua en procesos químicos y biológicos, como la solubilización, la estructura de biomoléculas y las transiciones de fase.
Para investigar estas propiedades, los autores se centraron en medir modos vibracionales de baja frecuencia (~200 cm⁻¹), relacionados con los desplazamientos traslacionales de las moléculas de agua. Estas vibraciones son especialmente relevantes porque están directamente vinculadas con las moléculas involucradas en enlaces de hidrógeno (H2O, OH⁻ o H⁺). Sin embargo, las técnicas previas no lograban distinguir claramente entre las moléculas que participaban activamente en los enlaces y las que no.
La CVS, desarrollada por los autores, es una técnica espectroscópica no lineal de tercer orden basada en la dispersión hiper-Raman. Permite obtener espectros vibracionales altamente específicos, capturando tanto las contribuciones intermoleculares como las individuales. Al aplicarla al agua, esta herramienta mostró diferencias claras en la deslocalización de carga y los efectos cuánticos nucleares entre soluciones ácidas y básicas, lo que abre nuevas posibilidades para estudiar la interacción molecular en diferentes sistemas líquidos.
Este avance representa un cambio de paradigma en la caracterización de materiales, ya que hasta ahora ninguna técnica experimental podía ofrecer un acceso tan detallado a la dinámica molecular. La CVS no solo es útil para comprender mejor el agua, sino que tiene un enorme potencial en el estudio de la hidratación, la solubilización, la estructura de biomoléculas como aminoácidos, proteínas y ADN, y otros problemas relacionados con materiales. Su capacidad para obtener información específica sobre las interacciones moleculares podría revolucionar nuestra comprensión de sistemas complejos en química, biología y ciencia de materiales.
