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Física

Atracción enigmática

Una nueva teoría ayuda a explicar el comportamiento de los iones diluidos en agua

EDUARDO CESAR

Isaac Newton se inspiró en la caída de la manzana para elaborar la ley de la gravedad. El físico y matemático inglés estaba a la sazón bastante confiado en que ese fenómeno sucedía siempre de la misma manera: la manzana caería hacia abajo, en dirección al centro de la Tierra. ¡Imagínense la sorpresa de Newton si en alguna que otra ocasión la fruta cayese hacia arriba, por ejemplo! El asombro que probablemente demostraría sería quizá similar al de los investigadores que procuran entender comportamientos que surgen en el mundo microscópico de las partículas eléctricamente cargadas (iones) diluías en agua. La teoría casi centenaria sobre las interacciones de esas partículas sugiere que las mismas deberían siempre mantenerse alejadas de la región en que el agua se encuentra con el aire, la llamada interfaz agua-aire. Pero experimentos realizados en laboratorio y simulaciones en computadora indicaban que esto no sucedía con determinados iones, en especial aquéllos de carga eléctrica negativa, que parecen atraídos hacia esa región.

Al cabo de un siglo, el misterio comienza finalmente a develarse gracias a una nueva teoría elaborada bajo el comando del físico norteamericano-brasileño Yan Levin, investigador de la Universidad Federal do Río Grande do Sul (UFRGS). En trabajos publicados al final de 2009 en la prestigiosa revista científica Physical Review Letters, Levin y su grupo demuestran que es posible restablecer la capacidad de previsión teórica del comportamiento de esas partículas si los investigadores dejan de tratarlas en forma simplista y práctica como esferas con carga positiva o negativa ubicadas en su centro. Al considerarlas pequeñas esferas con carga una eléctrica central, los teóricos lograban predecir una variada gama de comportamientos de esas partículas. Pero había enigmas, como en el caso de la atracción selectiva hacia la superficie del agua.

Sin embargo, en la naturaleza, los iones no son esferas rígidas como bolas de billar. Lo que transforma a átomos o moléculas eléctricamente neutros en iones es la pérdida o la ganancia de partículas de carga eléctrica negativa (electrones). Cuando en el balance general hay más cargas positivas que negativas, el ión exhibe una carga positiva, y en caso de haber más cargas negativas que positivas, el ión tiene una carga eléctrica negativa.

Lo que complica la historia es que los electrones en general no se comportan como partículas puntuales. Responden a reglas de la teoría cuántica, la física del mundo submicroscópico, que muchas veces contrarían la intuición.

¿Y eso qué quiere decir? Quiere decir que se comportan como si fuesen una nube difusa alrededor del átomo o de la molécula. Alguien que intente medir la posición de un electrón tendrá más bien posibilidades de encontrarlo en determinada región de la nube. Pero la definición precisa acerca de dónde está solamente surge cuando la partícula es observada efectivamente. Antes de la medición, es como si estuviese en todos los lugares posibles al mismo tiempo, por eso los físicos dicen que el electrón es una onda de probabilidad.

Pero estos detalles no deben inquietarnos, toda vez que hasta los días actuales los investigadores que trabajan con la física cuántica no saben interpretar qué significa realmente esta teoría en lo que atañe a la naturaleza de las partículas y al mundo en sus menores escalas. Pese a ser poco comprensible, la física cuántica representa con bastante precisión lo que ocurre en el mundo de las partículas. Con ella es posible calcular las ondas de probabilidad que se ajustan perfectamente a los resultados obtenidos en experimentos.

La interpretación de lo que sucede con los iones en la interfaz agua-aire empezó a cambiar cuando Yan Levin decidió verificar qué sucedería si se considerase que en lugar de estar ubicada en el centro del ión, como se imaginaba, la carga se distribuyese en forma desigual por la superficie del ión, en un efecto conocido como polarizabilidad. Esta distribución desigual es producida por el campo eléctrico generado por las moléculas de agua. Cada átomo de hidrógeno de una molécula tiene carga positiva que se conecta al oxígeno, que tiene una carga negativa de otra, creando uniones químicas (puentes de hidrógeno). Los iones perturban estas uniones y generan una competencia entre ambos efectos.

Números compatibles
En el caso de los iones grandes y altamente polarizables, los puentes de hidrógeno prevalecen y empujan a esos iones hacia la interfaz agua-aire, lo opuesto a lo que preveían las teorías antiguas, explica Levin. Fue precisamente eso lo que él observó en los experimentos de laboratorio, en particular con iones negativos producidos por la disolución de sales conteniendo elementos químicos halógenos (cloro, bromo, iodo y flúor). Los cálculos teóricos producidos por Levin y sus colegas corresponden perfectamente a las observaciones experimentales. Ellos han hecho las cuentas para los iones producidos por esas sales en la interfaz agua-aire y ahora pretenden trabajar con ácidos, para ver si el efecto es similar. El grupo también pretende investigar durante los próximos meses el efecto de soluciones de sales en interacción con proteínas. Se sabe que, en el caso de las proteínas diluidas en agua, el comportamiento de las moléculas en la interfaz agua-proteína puede ser muy parecido a lo que sucede en las interfaces entre agua y aceite o agua y aire. Este conocimiento será importante para comprender por qué determinadas sales inducen la precipitación (y otros la estabilidad) de las proteínas, moléculas responsables por prácticamente todo lo que sucede en el metabolismo de los seres vivos.

En la opinión de Levin, en caso de ser correctas, sus ecuaciones podrán aplicarse a situaciones muy diversas. Es posible, por ejemplo, que las mismas ayuden a comprender ciertos matices de la evolución de la vida en la Tierra. “Hubo momentos en la historia del planeta en que hubo extinciones en masa en los océanos, que pueden haber ocurrido debido a la disminución de iones en los mares”, recuerda. “Con la nueva teoría, también podremos investigar cuál es el límite antes de que las proteínas se precipiten debido a la sal.”

Otro fenómeno que puede explicarse gracias a esta nueva teoría es la degradación del ozono en la baja atmósfera. Se cree que cerca de la superficie de los océanos, pequeñas gotas (aerosoles) de agua actúan en la destrucción de ese gas, y en la consiguiente disminución de su concentración. De acuerdo con la teoría anterior sobre el comportamiento de los iones, la degradación del ozono en esas regiones sucedería a tasas mucho menores que las observadas en la realidad. Levin cree que, también en ese caso, la teoría propuesta por su grupo obtendrá resultados más cercanos a los que se obtuvieron experimentalmente.

Artículos científicos
LEVIN, Y. Polarizable ions at interfaces. Physical Review Letters. v. 102. p. 1478031-34. 10 abr. 2009.
LEVIN, Y. et al. Ions at the air-water interface: an end to a hundred-year-old mysteryPhysical Review Letters. v. 103, p. 2578021-24. 18 dic. 2009.

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