Nuevo estado cuántico de la molécula de agua en un nanocanal de berilo

Dibujo20160430 calculated structure beryl dft calculated structure physical review letters

La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos protones (hidrógeno). Una molécula de agua tiene un diámetro de unos 3 Å. Confinada en un nanocanal de 5 Å de diámetro muestra un nuevo estado cuántico. La molécula de agua (sus dos protones) puede estar en seis orientaciones diferentes dentro del nanocanal. Por efecto túnel cuántico puede alcanzar un estado de superposición de dichos seis estados. Este estado cuántico con simetría séxtuple ha sido predicho por simulaciones por ordenador y confirmado de forma experimental midiendo el espectro de la molécula de agua en el nanocanal por dispersión inelástica de neutrones.

El berilo es un mineral formado por ciclosilicato de berilio y aluminio (Be3Al2(SiO3)6). Este mineral presenta nanocanales con dos diámetros diferentes. Nanocanales estrechos (∼2,8 Å) que no permiten la entrada de una molécula de agua. Y nanocanales anchos (5,1 Å) que permiten la entrada de una molécula de agua, pero no permiten la entrada de dos moléculas de agua unidas entre sí por un enlace de hidrógeno.

El artículo es Alexander I. Kolesnikov, George F. Reiter, […] Lawrence M. Anovitz, “Quantum Tunneling of Water in Beryl: A New State of the Water Molecule,” Physical Review Letters 116: 167802 (22 Apr 2016), doi: 10.1103/PhysRevLett.116.167802; más información en Michael Schirber, “Focus: Water Molecule Spreads Out When Caged,” Physics 9: 43 (22 Apr 2016), link.

Dibujo20160430 Structure water molecule into nanochannel physical review letters

Quizás hayas leído titulares que afirman que se ha descubierto un nuevo estado del agua, ni líquido, ni sólido, ni gaseoso (por ejemplo, Roberto Mendez en Omicrono). Obviamente se trata de un titular incorrecto. El nuevo estado cuántico es de una sola molécula de agua encerrada en un nanocanal de berilo. No tiene sentido físico comparar dicho estado microscópico de una molécula con los estados macroscópicos del agua como material líquido, sólido, o gaseoso.

En las figuras que ilustran esta entrada, en el centro de los nanocanales de berilo, se observa un figura con simetría séxtuple. No se trata de varias moléculas de agua. Solo hay una única molécula de agua. Dicha figura con simetría séxtuple representa los orbitales cuánticos superpuestos del nuevo estado cuántico de la molécula de agua. Hay un oxígeno central rodeado por doce esferas (seis parejas de estados de los protones). En las imágenes se observan como seis lóbulos (porque se ven las esferas que están enfrente y no se ven las que están detrás). Vuelve a ver la figura para entender mejor esta explicación.

Dibujo20160430 proton map oxygen map calculated charge density slices in the ab plane from computed dft pimd structures physical review letters

Esta figura ilustra las densidades de carga para los protones y para el átomo de oxígeno central en el nuevo estado cuántico de la molécula de agua. Se han calculado mediante la teoría del funcional densidad (DFT) y simulaciones de dinámica molecular mediante integrales de camino (PIMD). Las predicciones teóricas para el espectro de este estado de la molécula se han confirmado mediante medidas experimentales, y gracias a ello han permitido su publicación en la prestigiosa revista Physical Review Letters.



8 Comentarios

  1. El link al artículo de Phisycs habla de “delocalization” of the hydrogen atoms.

    ¿Que significa esa “delocalization” desde la perspectiva de un modelo físico? Yo comprendo que estoy poniendo los dedos en el enchufe al tratar de visualizar comportamientos puntuales en una teoría de campos cuánticos. Entiendo que no son bolitas de materia girando como un ventilador pero considerar las partículas como no-localizadas ya se pone medio duro de digerir.

    Francis, ¿puedo preguntar cual es tu idea de la “ontología” de una partícula en una teoría de campos?
    Sé que nadie tiene una respuesta definitiva. Sólo me gustaría saber cómo consideras el tema.

    1. Carlos, el término deslocalización en física cuántica se refiere a un estado cuántico de superposición de estados de geometría diferente. Imagina un enlace H-O que puede estar en dos estados H-O y O-H, ¿dónde está localizado el H en el estado |H-O>+|O-H>? A eso se refiere el artículo de Physics respecto a los 6 estados de orientación espacial diferente de la molécula de agua.

      La “ontología” estándar en teoría cuántica de campos es que las partículas son vibraciones/excitaciones/ondas localizadas de un campo cuántico. El campo es cuántico porque sus excitaciones están cuantizadas y se llaman partículas por un uso histórico de dicho término (más correcto sería hablar de “cuantos del campo”). Todas las demás ontologías en QFT deben conducir a las mismas predicciones.

  2. Una pregunta, Francis: ¿crees que esta noticia servirá para revisar la teoría de Penrose-Hammerof? (Veo que has tratado la teoría Orch OR al menos dos veces este blog.) La idea de una molécula en superposición de estados dentro de un canal de berilo me ha hecho pensar en las superposiciones de estado que tienen lugar en los microtúbulos de los citoesqueletos de los axones, etc. ¿Crees que apoyándose en este descubrimiento Penrose y Hameroff podrían resolver el problema de cómo mantener una algún tipo de condensado fuertemente coherente a la temperatura del cerebro?

      1. Gracias, Francis. Parece que, como en todos los órdenes de la vida, el tamaño importa… ¡Aunque queda por ver si Penrose y Hameroff descubren algún otro conducto natural más estrechito!

  3. Hola Francis, estoy pensando en comprar un dispositivo llamado MRET Water Activator. Es de un científico ruso, Igor Smirnov, que estudió por qué algunas poblaciones no se vieron tan afectadas por el desastre nuclear de Chernobyl debido al agua que bebían. El dispositivo se basa en un descubrimiento de Peter Agre, premio novel de química en 2003, sobre unas proteínas llamadas acuaporinas, que permitirían que el agua pasara mejor a través de la membrana celular en una configuración lineal, que es la configuración que tenía el agua curativa en Rusia. He estado buscando en Internet y no encuentro que el agua pueda tener configuración lineal, sino tetraédrica. Qué te parece, me gasto los 800 euros que vale el aparato o no.

    Muchas gracias.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 30 abril, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science
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