Si no somos capaces de convertir el agua en oro como haría un buen alquimista, lo más parecido podría ser transformarla en un material metálico y brillante. Los investigadores han logrado esa proeza al formar una fina capa de agua alrededor de metales alcalinos capaces de compartir electrones.
El agua permaneció en estado metálico durante apenas unos segundos, pero el experimento no requirió las altas presiones que suelen hacer falta para convertir materiales no metálicos en metales conductores de la electricidad.
Pavel Jungwirth, químico físico de la Academia Checa de Ciencias y coautor del estudio, afirma que contemplar cómo el agua adquiría un brillo dorado fue unos de los momentos culminantes de su carrera. El equipo ha publicado sus resultados esta semana en Nature.
«Es un avance importantísimo», valora Peter Edwards, químico de la Universidad de Oxford. «¿Quién lo hubiera imaginado… agua metálica, de color bronce?»
No-metales metálicos
En teoría, la mayoría de los materiales son capaces de volverse metálicos si los sometemos a suficiente presión. Es posible comprimir tanto los átomos o las moléculas como para que empiecen a compartir sus electrones exteriores, y entonces esos electrones podrán viajar y conducir la electricidad como lo hacen en un trozo de cobre o de hierro. Los geofísicos piensan que los centros de planetas masivos como Neptuno o Urano albergan agua en ese estado metálico, y que el hidrógeno metálico a alta presión puede incluso tornarse superconductor y conducir la electricidad sin resistencia alguna.
Convertir el agua en un metal de esta manera requeriría una presión de unos 15 millones de atmósferas, fuera del alcance de las técnicas de laboratorio actuales, explica Jungwirth. Pero el científico sospechaba que el agua podría volverse conductora de una forma alternativa: tomando prestados los electrones de los metales alcalinos. Y es que los átomos de estos elementos reactivos del grupo 1 de la tabla periódica, entre los que se encuentran el sodio y el potasio, tienden a donar su electrón más externo.
El año pasado, Jungwirth y su colaborador Phil Mason, químico que también es conocido por hacer vídeos de ciencia en YouTube, dirigieron un equipo que demostró un efecto similar en el amoníaco. El hecho de que el amoníaco puede volverse brillante en esas condiciones es algo que ya sabía el químico británico Humphry Davy a principios del siglo XIX, señala Edwards.
El equipo quería probar ese mismo enfoque con agua en vez de amoníaco, pero se enfrentaba a un reto: los metales alcalinos tienden a reaccionar de forma explosiva al mezclarlos con agua. La solución consistió en diseñar un montaje experimental que ralentizara drásticamente la reacción para que no fuera explosiva.
Los investigadores llenaron una jeringa con sodio y potasio, una mezcla que es líquida a temperatura ambiente, y la colocaron en una cámara de vacío. A continuación, usaron la jeringa para formar gotas de la mezcla metálica y las expusieron a pequeñas cantidades de vapor de agua. El agua se condensó sobre cada gota, formando una capa con un espesor de una décima de micra. Entonces, los electrones de la gota se difundieron rápidamente en el agua (junto con algunos iones metálicos positivos) y, en pocos segundos, la capa de agua se volvió dorada.
Es crucial controlar los tiempos
Los experimentos realizados en un sincrotrón de Berlín confirmaron que la capa dorada mostraba las propiedades que cabía esperar del agua metálica. La clave para evitar una explosión, revela Jungwirth, fue encontrar una ventana de tiempo en la que la difusión de los electrones fuera más rápida que la reacción entre el agua y los metales. «Han logrado alcanzar un estado cuasiestable donde la física de la metalización se impone a la descomposición química», comenta Edwards.
«No estábamos nada seguros de poder hacerlo», admite Jungwirth. «Fue increíble, como descubrir un nuevo elemento.»
Según Jungwirth, el experimento supuso una pausa revitalizante de su trabajo diario, que consiste en realizar simulaciones de química orgánica por ordenador, y también un recordatorio de que la ciencia puede ser divertida. «No es algo para lo que te vayan a dar una subvención, sino más bien algo para hacer los fines de semana», comenta.
No es la primera vez que Jungwirth colabora con Mason en un experimento: en 2015, revelaron junto a otros investigadores el mecanismo que hace que el sodio explote al entrar en contacto con el agua. Entonces tuvieron que montar el experimento en un balcón de su instituto, porque no tenían acceso a un laboratorio. «Todo el mundo se enfadó, porque allí era donde la gente iba a fumar», rememora. «Preguntamos: ¿podríais dejarnos el balcón para provocar explosiones?»
Davide Castelvecchi/Nature News
Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con el permiso de Nature Research Group.
Referencia: «Spectroscopic evidence for a gold-coloured metallic water solution», Philip E. Mason et al. en Nature, vol. 595, págs. 673–676, 29 de julio de 2021.
