Las moléculas de agua se organizan en hilos oscilantes

Un baile en que cada uno cambia a quién le da la mano varias veces antes de cambiarse de sitio. Así se comportan las moléculas de agua, según el trabajo publicado en la revista Physical Review Letters por los físicos teóricos de la materia condensada Emilio Artacho y Mariví Fernández-Serra. Se resuelve así un misterio que los científicos llevaban años intentando entender: cuál es la física que hay detrás de los enlaces que unen las moléculas de agua entre sí y cómo están organizadas en el líquido. En 2004, un grupo sueco publicó en la revista Science unos experimentos que sugerían que mucho lo que se sabía hasta el momento era incorrecto. Sin embargo, aunque los experimentos suecos fueron válidos, su interpretación fue errónea, según el trabajo de los investigadores españoles.

Los electrones 'bailan' cambiando continuamente de compañero

Siguiendo con la analogía del baile, Artacho, profesor del departamento de Ciencias de la Tierra de la Universidad de Cambridge, explica que los investigadores suecos proponían un modelo en el que "todo el mundo baila de la mano, formando cadenas que se mueven por la plaza".

Aunque parezca sorprendente, un líquido en apariencia tan simple como el agua aún oculta muchas incógnitas, por lo que continúa siendo una prolífica fuente de estudio a nivel teórico y experimental. Resulta en una media de más de tres publicaciones diarias en revistas científicas de primera línea, sólo en el campo de la física/química durante el último año, como recuerda Fernández-Serra, que en la actualidad realiza su estancia posdoctoral en un grupo especializado en física de nanoestructuras en la Universidad de Lyon.

El artículo de los investigadores españoles ofrece un modelo en el que aunque cada molécula forma cuatro enlaces, en realidad los electrones que participan en dichos enlaces están continuamente oscilando de manera que, en cada momento sólo dos de los cuatro enlaces son fuertes y los otros dos son más débiles. Estas oscilaciones se alternan entre los cuatro enlaces, y al final, en promedio, los cuatro enlaces tienen la misma intensidad. Según Fernández-Serra "lo realmente interesante es que es posible ver estos hilos electrónicos en el líquido, pero oscilantes, que es el ingrediente que les faltaba a los experimentos para reconciliar sus resultados con la teoría. Las consecuencias de nuestro trabajo son muy importantes, ya que reconcilian los nuevos resultados experimentales con los resultados teóricos de las simulaciones".

El descubrimiento se ha basado en un método de simulación teórica creado en España, que resuelve las ecuaciones fundamentales de la física que describen la dinámica de núcleos y electrones en sistemas como éste, y los cálculos se han realizado en un superordenador paralelo en la Universidad de Cambridge. El interés de estudiar el agua con este tipo de métodos surgió hace dos años, como parte de la tesis de doctorado de Fernández-Serra, de la que el propio Artacho era director, con la intención de poder estudiar problemas más complicados, como la solubilidad de moléculas desde un punto de vista farmacéutico. "Sin embargo, pronto nos dimos cuenta de que había muchas cuestiones de la física fundamental de las interacciones entre las moléculas de agua, los puentes de hidrógeno, que no estaban bien entendidas y que era esencial responder, antes de tratar de hacer cosas más complicadas. Al mismo tiempo se publicó este artículo en Science que hizo tambalear los pilares de la física del agua", explica la investigadora.

Según Artacho, aunque el trabajo no tiene aplicaciones directas, aporta conceptos importantes para posibles nuevos desarrollos en biología molecular, incluyendo aspectos tan relevantes como entender las malformaciones de proteínas que se dan en enfermedades como el Alzheimer o la de las vacas locas, o predecir el efecto de nuevos fármacos en nuestro cuerpo. "Precisamente, nuestro trabajo sobre el agua fue motivado por otro proyecto en el que estudiamos la eficiencia de distintos posibles fármacos en la inhibición controlada de la replicación celular para posibles tratamientos nuevos contra el cáncer. Esto lo hacemos en colaboración con otros científicos en Cambridge, incluyendo físicos, químicos, bioquímicos y oncólogos", explica Artacho. En este sentido, como parte de la tesis de Fernández-Serra, se estudiaron unas moléculas que son posibles candidatas a ser fármacos contra el cáncer y, que ha dado pie a un artículo en el que proponen cómo se puede mejorar su diseño para que sean más efectivas. Otra línea de investigación abierta de estos investigadores es el estudio de las propiedades electrónicas de nanohilos que permitirán reducir el tamaño de los chips y materiales que se utilizan para almacenar residuos radioactivos. Asimismo, el estudio del agua seguirá siendo parte de su trabajo, como subraya Fernández-Serra: "Ahora que ya entendemos bien la física en el agua pura vamos a ver qué les ocurre a los puentes de hidrógeno cuando el agua interacciona con otras moléculas o materiales".