La física cuántica podría ayudarnos a entender el agua

Una acción tan corriente como agua circulando por una tubería esconde muchísima ciencia detrás; tanta que existe una rama de la física especializada únicamente en estudiar las propiedades del líquido (velocidad, presión, densidad, temperatura…) conocida como dinámica de fluidos. La dinámica de fluidos abarca sus teoremas y fórmulas que funcionan el día a día y han sido utilizadas desde tiempos antiguos para poder crecer como civilización al permitirnos calcular cómo puede llegar el agua a las ciudades, cómo mejorar procesos alimentarios o cómo llevar enormes cantidades de petróleo a lugares lejanos. Sin embargo, cuando reducimos mucho el tamaño de sus componentes o utilizamos materiales extraños, se pueden dar interacciones inesperadas que vuelven inservibles los modelos utilizados para el cálculo de las variables.

Hablemos del nanotubo de carbono.

Los nanotubos de carbono son conductos formados por un enrejado de hexágonos de carbono y que puede tener paredes tan finas como un átomo de grosor. Sus aplicaciones actualmente son muy limitadas por la dificultad de su producción, pero gracias a sus propiedades se han creado desde adhesivos hasta Vantablack, una pintura capaz de absorber casi toda la luz que incide sobre ella. Sin embargo, podría ser un material muy utilizado en el futuro cuando se solucionen los problemas de escalabilidad de su producción, ya que su resistencia y biocompatibilidad podrían ayudar a la fabricación de prótesis y otras estructuras. Además, gracias a sus interacciones con otras moléculas podrían abrir muchos campos de estudio en la creación de energía, computación e incluso en la lucha contra el cáncer.

Las interacciones entre el agua y los nanotubos de carbono llevan desconcertando a los científicos desde hace más de una década debido a que no existe prácticamente fricción entre el líquido y el conducto. Pero lo más sorprendente es que, al contrario de con otros materiales, cuando más estrecho es el nanotubo de carbono, la fricción con el líquido es todavía menor.

El roce hace el cariño.

Por qué se produce fricción en un nanotubo de carbono que virtualmente no contiene imperfecciones es un proceso extremadamente complejo del que se han conseguido explicar algunos fenómenos, pero no todos. Según un nuevo estudio publicado el día 2 de febrero en Nature, un equipo del Instituto Flatiron de Nueva York en colaboración con el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) de París podría haber encontrado una solución mediante la unión de la mecánica cuántica y la dinámica de fluidos. Estas ramas de la física han permitido crear la teoría de la “fricción cuántica” que explicaría cómo suceden las interacciones entre los nanotubos y el agua.

Como nos explica la doctora en física de la materia condensada Mario Peláez-Fernández, conocida como @Sassyscience_ en redes: “El estudio se centra principalmente en encontrar las diferencias entre el comportamiento del grafeno y grafito -que es básicamente varias capas de grafeno montadas unas encima de otras- para poder explicar el comportamiento de nanotubos de 15 a 50 nm formados por varias capas de carbono”.

Además, el autor principal del estudio, Nikita Kavokine, afirma que esta explicación es el primer indicio de las interacciones cuánticas que se producen entre sólidos y líquidos. Según sus propias declaraciones: “Este trabajo muestra una conexión entre la hidrodinámica y las propiedades cuánticas de la materia que no era evidente hasta ahora”.

La explicación planteada es una manera elegante de resolver el problema y se basa en que el agua es una molécula polar, es decir, contiene una zona con carga positiva y una negativa. Al pasar por el nanotubo de carbono, las cargas del agua interactúan con los electrones que se encuentran circulando libres en las paredes de los nanotubos, los empujan y esto provoca que empiezan a tirar unos electrones de otros y estas fuerzas afecten al propio líquido, ralentizando el flujo. El efecto se magnifica en los nanotubos formados por varias capas, ya que los electrones pueden saltar entre estas, multiplicando las interacciones entre los electrones y el líquido.

Más pequeño, menos movimiento.

La clave se encuentra en la geometría de la estructura del nanotubo. En nanotubos más estrechos existe una limitación geométrica para el movimiento de los electrones. Es decir, estos electrones, a pesar de sufrir los empujones del líquido que corre por el interior no pueden moverse, ya que se encuentran más “encajados” que en un nanotubo de mayor diámetro. “Han encontrado una diferencia importante a nivel electrónico entre el grafeno y el grafito” nos explica la Dra. Peláez-Fernández. “Lo que sucede es que el acoplamiento entre las capas de grafito influencia cómo se comportan los electrones de conducción de ese grafito, es decir, han encontrado un modo de vibración colectiva de esos electrones -un plasmón- situado a una energía suficientemente baja como para que esa vibración se produzca simplemente por la energía térmica que tiene el material”.

La cuestión es que al pasar agua por el interior estas vibraciones también afectan al líquido. Además, como al agua tiene una temperatura, también vibra. Debido a todas estas vibraciones, La Dra. Peláez-Fernández nos indica que del estudio se extraerían dos conclusiones: La primera es que según esta teoría, cuando el material tiene cierta temperatura (estos experimentos se suelen realizar a temperatura ambiente) la vibración del material y la vibración del agua se acoplan, lo que crearía la fricción cuántica y explicaría por qué la fricción en el grafeno es menor que en el grafito a pesar de que es un material más rugoso. y la segunda explicaría por qué los nanotubos más pequeños tienen menor fricción, porque el acoplamiento entre las capas del nanotubo es más débil cuando más pequeño es el tubo, haciendo que este fenómeno de resonancia afecte menos.

Sin embargo, recordemos que se trata de un estudio teórico, por lo que los investigadores dicen que se necesitan experimentos para confirmar su propuesta y explorar algunas de sus consecuencias. También señalan la necesidad de mejorar las simulaciones actuales, ya que utilizan la aproximación Born-Oppenheimer, en la que se asume que los electrones de las paredes del nanotubo se adaptan instantáneamente a las moléculas que pasan por su interior, y esta simplificación no reflejaría la realidad. “Espero que esto cambie nuestra forma de tratar estos sistemas y aporte nuevas herramientas teóricas a otros problemas”, afirma Kavokine, el autor principal del estudio.

Comprender y afianzar estas teorías podría servir en un futuro para optimizar procesos como la filtración del agua del mar o la generación de energía eléctrica utilizando la diferencia de salinidad entre agua dulce y salada.

QUE NO TE LA CUELEN

• Conocemos el grafeno y sus propiedades desde hace casi un siglo y parece que las aplicaciones de este material siempre son para el futuro. Sin embargo comenzamos a ver nuevos usos en varios dispositivos electrónicos e incluso como tratamientos para enfermedades tan terribles como el cáncer. No esperemos un “boom” del grafeno o los nanotubos de carbono, si no más bien pequeñas aplicaciones que irán apareciendo poco a poco. Sin prisa, pero sin pausa.

REFERENCIAS (MLA)

• ZKavokine, Nikita et al. “Fluctuation-Induced Quantum Friction In Nanoscale Water Flows”. Nature, vol 602, no. 7895, 2022, pp. 84-90. Springer Science And Business Media LLC, https://doi.org/10.1038/s41586-021-04284-7.