Las mol¨¦culas de agua se organizan en hilos oscilantes

Un baile en que cada uno cambia a qui¨¦n le da la mano varias veces antes de cambiarse de sitio. As¨ª se comportan las mol¨¦culas de agua, seg¨²n el trabajo publicado en la revista Physical Review Letters por los f¨ªsicos te¨®ricos de la materia condensada Emilio Artacho y Mariv¨ª Fern¨¢ndez-Serra. Se resuelve as¨ª un misterio que los cient¨ªficos llevaban a?os intentando entender: cu¨¢l es la f¨ªsica que hay detr¨¢s de los enlaces que unen las mol¨¦culas de agua entre s¨ª y c¨®mo est¨¢n organizadas en el l¨ªquido. En 2004, un grupo sueco public¨® en la revista Science unos experimentos que suger¨ªan que mucho lo que se sab¨ªa hasta el momento era incorrecto. Sin embargo, aunque los experimentos suecos fueron v¨¢lidos, su interpretaci¨®n fue err¨®nea, seg¨²n el trabajo de los investigadores espa?oles.

Los electrones 'bailan' cambiando continuamente de compa?ero

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

Aunque parezca sorprendente, un l¨ªquido en apariencia tan simple como el agua a¨²n oculta muchas inc¨®gnitas, por lo que contin¨²a siendo una prol¨ªfica fuente de estudio a nivel te¨®rico y experimental. Resulta en una media de m¨¢s de tres publicaciones diarias en revistas cient¨ªficas de primera l¨ªnea, s¨®lo en el campo de la f¨ªsica/qu¨ªmica durante el ¨²ltimo a?o, como recuerda Fern¨¢ndez-Serra, que en la actualidad realiza su estancia posdoctoral en un grupo especializado en f¨ªsica de nanoestructuras en la Universidad de Lyon.

El art¨ªculo de los investigadores espa?oles ofrece un modelo en el que aunque cada mol¨¦cula forma cuatro enlaces, en realidad los electrones que participan en dichos enlaces est¨¢n continuamente oscilando de manera que, en cada momento s¨®lo dos de los cuatro enlaces son fuertes y los otros dos son m¨¢s d¨¦biles. Estas oscilaciones se alternan entre los cuatro enlaces, y al final, en promedio, los cuatro enlaces tienen la misma intensidad. Seg¨²n Fern¨¢ndez-Serra "lo realmente interesante es que es posible ver estos hilos electr¨®nicos en el l¨ªquido, pero oscilantes, que es el ingrediente que les faltaba a los experimentos para reconciliar sus resultados con la teor¨ªa. Las consecuencias de nuestro trabajo son muy importantes, ya que reconcilian los nuevos resultados experimentales con los resultados te¨®ricos de las simulaciones".

El descubrimiento se ha basado en un m¨¦todo de simulaci¨®n te¨®rica creado en Espa?a, que resuelve las ecuaciones fundamentales de la f¨ªsica que describen la din¨¢mica de n¨²cleos y electrones en sistemas como ¨¦ste, y los c¨¢lculos se han realizado en un superordenador paralelo en la Universidad de Cambridge. El inter¨¦s de estudiar el agua con este tipo de m¨¦todos surgi¨® hace dos a?os, como parte de la tesis de doctorado de Fern¨¢ndez-Serra, de la que el propio Artacho era director, con la intenci¨®n de poder estudiar problemas m¨¢s complicados, como la solubilidad de mol¨¦culas desde un punto de vista farmac¨¦utico. "Sin embargo, pronto nos dimos cuenta de que hab¨ªa muchas cuestiones de la f¨ªsica fundamental de las interacciones entre las mol¨¦culas de agua, los puentes de hidr¨®geno, que no estaban bien entendidas y que era esencial responder, antes de tratar de hacer cosas m¨¢s complicadas. Al mismo tiempo se public¨® este art¨ªculo en Science que hizo tambalear los pilares de la f¨ªsica del agua", explica la investigadora.

Seg¨²n Artacho, aunque el trabajo no tiene aplicaciones directas, aporta conceptos importantes para posibles nuevos desarrollos en biolog¨ªa molecular, incluyendo aspectos tan relevantes como entender las malformaciones de prote¨ªnas que se dan en enfermedades como el Alzheimer o la de las vacas locas, o predecir el efecto de nuevos f¨¢rmacos en nuestro cuerpo. "Precisamente, nuestro trabajo sobre el agua fue motivado por otro proyecto en el que estudiamos la eficiencia de distintos posibles f¨¢rmacos en la inhibici¨®n controlada de la replicaci¨®n celular para posibles tratamientos nuevos contra el c¨¢ncer. Esto lo hacemos en colaboraci¨®n con otros cient¨ªficos en Cambridge, incluyendo f¨ªsicos, qu¨ªmicos, bioqu¨ªmicos y onc¨®logos", explica Artacho. En este sentido, como parte de la tesis de Fern¨¢ndez-Serra, se estudiaron unas mol¨¦culas que son posibles candidatas a ser f¨¢rmacos contra el c¨¢ncer y, que ha dado pie a un art¨ªculo en el que proponen c¨®mo se puede mejorar su dise?o para que sean m¨¢s efectivas. Otra l¨ªnea de investigaci¨®n abierta de estos investigadores es el estudio de las propiedades electr¨®nicas de nanohilos que permitir¨¢n reducir el tama?o de los chips y materiales que se utilizan para almacenar residuos radioactivos. Asimismo, el estudio del agua seguir¨¢ siendo parte de su trabajo, como subraya Fern¨¢ndez-Serra: "Ahora que ya entendemos bien la f¨ªsica en el agua pura vamos a ver qu¨¦ les ocurre a los puentes de hidr¨®geno cuando el agua interacciona con otras mol¨¦culas o materiales".