Instantáneas de rayos X revelan átomos y moléculas en acción
El agua nos rodea por todas partes, pero su capa superficial —donde se producen las reacciones químicas que dan forma a la vida en la Tierra— es sorprendentemente difícil de estudiar. Los experimentos con el láser de rayos X del SLAC están poniendo esto en evidencia.
Dos tercios de la superficie terrestre están cubiertos de agua, la mayor parte en océanos tan profundos y vastos que solo se ha explorado una quinta parte de su volumen total. Sin embargo, sorprendentemente, la parte más accesible de este reino acuático —la superficie del agua, expuesta a las crestas de las olas, las gotas de lluvia y los estanques llenos de zapateros— es una de las más difíciles de conocer.
Con sólo unas pocas capas de átomos de espesor, la superficie juega un papel enorme en la química que hace que nuestro mundo sea lo que es, desde la formación de nubes y el reciclaje del agua a través de las lluvias hasta la absorción del dióxido de carbono de la atmósfera por parte del océano.
"La interfaz entre el aire y el agua es donde ocurre toda la acción, pero es notoriamente difícil de estudiar", dijo Jake Koralek, científico del Departamento de Energía del Laboratorio de Aceleradores Nacionales SLAC. "Cuando intentamos medir sus propiedades, nuestras mediciones están dominadas por los miles de millones de átomos que componen la mayor parte del agua. Esto se aplica incluso a las gotas de agua más pequeñas".
Ahora, un equipo de investigación dirigido por científicos del SLAC ha desarrollado una forma de superar ese obstáculo y recopilar datos de rayos X claros y potentes solo de la superficie, utilizando técnicas avanzadas disponibles en el láser de rayos X de SLAC, la fuente de luz coherente Linac (LCLS).
"Pudimos observar directamente detalles clave de cómo las moléculas de agua en la superficie interactúan de forma diferente a las del resto del agua, lo que confirma una antigua especulación", afirmó Koralek, quien dirigió la investigación junto con el científico del instrumento LCLS, David J. Hoffman. "Esto es crucial para comprender la química de los sistemas acuáticos, incluida la vida en la Tierra".
Imagen: Representación esquemática del experimento SXSHG. Crédito: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65514-4
La superficie especial del agua
El agua es única entre los líquidos en muchos sentidos. Su tensión superficial es una de las más fuertes de cualquier líquido conocido, tan fuerte que algunos insectos pueden literalmente caminar sobre el agua, y una cuchilla de afeitar colocada cuidadosamente sobre la superficie puede permanecer allí sin hundirse.
En general, la tensión superficial se desarrolla en la unión del líquido con el aire. Las moléculas del líquido se atraen entre sí más que las moléculas del aire. Gravitan entre sí, formando una fina capa que actúa como una membrana elástica y resiste la rotura.
Sin embargo, las moléculas de agua no solo se atraen entre sí. Cada molécula forma cuatro débiles y efímeros enlaces con sus vecinas, donde los átomos de hidrógeno de una se conectan con los átomos de oxígeno de las otras. En la mayor parte del agua, estos enlaces se extienden en todas direcciones, creando una red suelta de moléculas que se rompe y se reforma constantemente.
En la superficie, las moléculas de agua solo pueden formar enlaces con las moléculas vecinas que se encuentran debajo, no con el aire que las cubre. Quedan expulsando algunos de sus átomos de hidrógeno al aire. Esto ya había sido confirmado por mediciones anteriores.
Pero, ¿Acaso los átomos de oxígeno desprovistos de enlaces en la superficie hacían lo mismo? Esto parecía lógico, pero hasta ahora nadie lo había observado directamente.
"La superficie del agua se ha estudiado con una amplia gama de técnicas experimentales", dijo Hoffman. "Sin embargo, aún quedan importantes preguntas abiertas sobre las estructuras electrónicas y moleculares de la superficie y cómo se relacionan con fenómenos macroscópicos importantes, como el ciclo del ozono en la atmósfera, la transferencia de carga en las baterías y la mecánica del funcionamiento de los jabones".
Imagen: Algunas de las características especiales del agua provienen del hecho de que cada molécula forma cuatro enlaces con sus vecinas (centro), creando una red efímera y en constante cambio. Pero en la superficie, las moléculas solo pueden unirse con las vecinas que se encuentran debajo; algunos de sus átomos quedan sin enlazar, sobresaliendo en el aire. Estudios previos demostraron que los átomos de hidrógeno del agua (blancos) sobresalen de esta forma. El nuevo estudio demostró que sus átomos de oxígeno (rojos) también lo hacen. Crédito: D.J. Hoffman/Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC y Tod Pascal/UC San Diego
Láminas brillantes y aumentos de potencia
Estos últimos experimentos se realizaron con el instrumento chemRIXS de LCLS, optimizado para experimentos de vanguardia en química. Tres recientes avances fueron clave para hacerlos posibles.
Un método, desarrollado en 2018 por Koralek y el científico del LCLS Daniel DePonte, lleva las muestras a la trayectoria del láser del LCLS en láminas de agua que fluyen libremente en lugar de en chorros cilíndricos. Las láminas tienen menos de un micrómetro (aproximadamente 40 millonésimas de pulgada) de grosor, tan delgadas que brillan como pompas de jabón. Esta extrema delgadez permite a los investigadores investigar cosas que antes no podían ver. Los investigadores dijeron en ese momento que les gustaría utilizar las láminas delgadas para observar la naturaleza misma del agua, y eso es lo que han hecho aquí.
En segundo lugar, las recientes mejoras del LCLS permitieron a los investigadores golpear sus láminas de agua con un haz de láser de rayos X que emitía pulsos ultracortos (de menos de una millonésima de una milmillonésima de segundo de duración), cada uno con más de un teravatio (un billón de vatios) de potencia en su punto máximo, llegando a 120 veces por segundo.
Sólo un haz de la intensidad extrema que se encuentra en un láser de rayos X como el LCLS podría activar el tercer componente crucial del experimento: un proceso no lineal llamado generación de segundo armónico, donde dos fotones de luz entrante se combinan para crear un fotón de luz saliente con el doble de energía. Esto ocurre únicamente en la capa superficial del agua, por lo que se puede utilizar para distinguir claramente lo que sucede en la capa superficial de lo que sucede en la masa.
Imagen: Dos insectos zapateros con largas y delgadas patas proyectan sombras sobre la superficie del agua de color azul oscuro con reflejos de fondo borrosos.
Además, el rayo láser se sintonizó con una longitud de onda de luz en la parte suave, o de menor energía, del espectro de rayos X, sensible al oxígeno del agua. Posteriormente, el rayo puede utilizarse para rastrear la participación del oxígeno en la red de enlaces de hidrógeno que hace del agua una sustancia tan singular. En este caso, se confirmó que los átomos de oxígeno en la superficie también sobresalían en el aire, incapaces de aceptar su cuota deseada de enlaces de hidrógeno.
"Este resultado experimental, pionero en su tipo, junto con cálculos teóricos de vanguardia, tendrá un impacto inmediato en nuestra comprensión del agua y de los líquidos en general", afirmó Koralek. "Abre las puertas a una amplia gama de estudios sobre sistemas acuosos críticos que serán de gran interés para la comunidad científica".
El equipo también ha estado explorando la interfaz del agua con otros líquidos, adaptando su configuración original para crear capas increíblemente delgadas y apiladas de láminas de líquido que fluyen continuamente en la trayectoria de un rayo láser de mesa. En 2022 describieron experimentos en los que pequeños chorros de aceite y agua salpicaban entre sí, formando una fina lámina que permitió al equipo estudiar la interfaz entre los dos líquidos.
Y en agosto pasado, publicaron un artículo que comparaba el comportamiento de las sales en los límites agua/aire y agua/petróleo, basado en experimentos dirigidos por Shane W. Devlin, investigador postdoctoral en Berkeley Lab.
El equipo de investigación publicó en Nature Communications el último de una serie de artículos que describen este trabajo: Surface structure of water from soft X-ray second harmonic generation
