En las soluciones de agua salada, las moléculas de agua se mueven rápidamente alrededor de los iones de sal a una escala de más de un billón de veces por segundo, según experimentos y simulaciones dirigidos por científicos de la Universidad de Nueva York y la Sorbona.

« Hay más en las soluciones de sal de lo que parece », dijo Alexej Jerschow, profesor del Departamento de Química de la Universidad de Nueva York y uno de los autores principales del estudio. « Esto fue evidente cuando medimos y modelamos la dinámica muy rápida de los iones de cloruro de sodio y las moléculas de agua circundantes ».

Los hallazgos, publicados en Nature Communications, permitirán a los investigadores construir modelos más confiables para predecir la dinámica de iones, que podrían usarse para una variedad de actividades científicas, desde mejorar las baterías recargables hasta las resonancias magnéticas.

Los iones son ubicuos y críticos para la vida. Muchos iones, como el sodio y el potasio, se encuentran en todo el cuerpo humano y dictan la viabilidad celular, la señalización nerviosa y la integridad estructural de los tejidos. La forma en que los iones interactúan con los solventes también juega un papel fundamental; por ejemplo, las baterías recargables se basan en el movimiento de iones a través de soluciones electrolíticas.

Los iones en una solución a base de agua generalmente están rodeados por cuatro a seis moléculas de agua, pero no se comprende bien hasta qué punto estas moléculas se mueven como una unidad y cuánto movimiento experimentan las moléculas de agua. Los modelos usados ​​previamente han sido inadecuados para capturar el movimiento concertado entre el agua y los iones.

Para estudiar el movimiento de las moléculas de agua y sal, los investigadores utilizaron la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), una herramienta versátil que se utiliza habitualmente para determinar la estructura de las moléculas, y combinaron los datos experimentales con simulaciones informáticas detalladas que pueden modelar la dinámica alrededor iones de sal a escala atómica.

Probando agua salada en una amplia gama de concentraciones y temperaturas, y combinando datos experimentales y simulaciones por computadora, los investigadores observaron que las moléculas de agua se mueven alrededor de los iones de sodio y cloruro a un ritmo extremadamente rápido, más de un billón de veces por segundo. Además, anteriormente se suponía que los iones se mueven junto con las moléculas de solvente circundantes como una unidad, pero el experimento demostró que no es así; en cambio, las moléculas de agua se mueven mucho más rápido que el complejo ion-agua.

« Encontramos una excelente concordancia entre el experimento y las simulaciones, lo que nos permite construir modelos confiables para la dinámica de iones », dijo Jerschow.

« Ahora estamos recurriendo a electrolitos más complejos y a lo que sucede cerca de las superficies sólidas, y la combinación de experimentos con simulaciones volverá a ser esencial para avanzar », dijo Benjamin Rotenberg de la Sorbonne Université y el Centre national de la recherche scientifique (CNRS) de Francia, y el otro autor principal del estudio.

« Anticipamos que este trabajo puede proporcionar conocimientos en muchas áreas, desde la medicina hasta el almacenamiento de energía, que se basan en una buena comprensión de la dinámica de iones en solución », agregó Jerschow.

La investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud (R01EB026456), el Consejo Europeo de Investigación (863473) y la Fundación Nacional de Ciencias (CHE2108205).