Nos han enseñado desde pequeños que el agua no tiene color, sabor, ni olor. Casi como la 'nada' lÃquida. Sin embargo, para que el agua sea agua, a nivel microscópico, sus moléculas y átomos se disponen de formas muy especiales, otorgándole particularidades que no tiene ningún lÃquido. Por ejemplo, puede existir en los tres estados de la materia -sólido, lÃquido y gas- al mismo tiempo a temperatura ambiente; o que el agua, en forma de hielo, es menos denso que en estado lÃquido, lo que provoca que los rÃos se congelen en su superficie, pero no en el fondo. Todo esto ocurre por procesos ultrarrápidos a escalas Ãnfimas de las que tenemos evidencia indirecta: no lo hemos podido ver porque no poseÃamos la tecnologÃa.
Hasta ahora. Porque un grupo interdisciplinar de cientÃficos de Estados Unidos y Alemania, aprovechando las instalaciones pioneras del laboratorio Nacional del Acelerador SLAC (California, EE.UU.), acaba de conseguir la primera 'fotografÃa' de un átomo de agua 'congelado' en el tiempo; este experimento abre la puerta a toda una fÃsica experimental que se podrá aplicar, por ejemplo, en investigaciones sobre cómo afecta la radiación a objetos dentro de una central nuclear; o a cómo nos influye a los tejidos humanos la radiación. Los resultados acaban de publicarse en la revista 'Science'.
El attosegundo, la trillonésima parte de un segundo
Las partÃculas subatómicas, como los electrones, se mueven tan rápido que capturar sus acciones requiere una 'cámara' capaz de medir el tiempo en attosegundos, una medida que equivale a la trillonésima parte de un segundo. Algo asà como lo que serÃa un segundo completo para todo el tiempo del universo, que existe desde hace 13.800 millones de años. Porque, en ese tiempo, a escalas increÃblemente pequeñas, ocurren muchas cosas, como que el agua sea agua. Gracias a Anne L'Huiller, Pierre Agostini y Ferenc Krausz, la humanidad puede 'radiografiar' qué ocurre en esa pequeñÃsima porción de tiempo (razón por la que los tres ganaron el Premio Nobel de FÃsica en 2023). Y ahora, gracias a esta base, se ha conseguido 'fotografiar' ese escurridizo átomo.
«Hasta ahora, los quÃmicos de radiación solo podÃan resolver eventos en la escala de tiempo de picosegundos, un millón de veces más lento que un attosegundo. Es como decir 'nacà y luego morÃ'», explica Linda Young, autora principal del estudio y miembro del Laboratorio Nacional Argonne (EE.UU.). «Nosotros querÃamos saber qué ocurrÃa en el medio». Porque la pelÃcula de la vida de este átomo del agua es tan fugaz que hasta ahora, si grabamos su vida, el metraje pasaba tan rápidamente que solo éramos capaces de captar el principio y el 'The end'. Sin embargo, con este nuevo método, los cientÃficos son capaces de observar la trama entera, casi 'congelando' el tiempo.
Todo esto fue posible gracias al Láser de Electrones Libres de Rayos X (XFEL) de la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS), basado en una tecnologÃa que produce pulsos de luz de rayos X ultrabrillantes y ultracortos que permiten a los cientÃficos capturar el comportamiento de moléculas, átomos y electrones con un detalle sin precedentes en las escalas de tiempo naturales en las que se producen los cambios en la quÃmica, la biologÃa y los materiales. Es decir, no son fotografÃas 'al uso', como podemos tener en el álbum de casa; sino la información que produce el choque de estos rayos X se interpreta después, 'capturando' lo que está ocurriendo en ese momento en los átomos.
Mirar en los átomos de sólidos, lÃquidos y gases
Hasta ahora, 'mirar' dentro de los átomos de sólidos y gases habÃa sido más fácil. «Ha sido notoriamente difÃcil introducir lÃquidos en el entorno instrumental requerido por los detectores, mientras que la introducción de gases o sólidos ha sido mucho más sencilla», explica a ABC Young. Para salvar este escollo, crearon un sistema para crear una capa plana y delgada sobre la que enfocar los rayos X. Después, consiguieron analizar la respuesta energética de los electrones en agua lÃquida, mientras que el hidrógeno y los átomos de oxÃgeno estaban 'congelados' en el tiempo.
Los autores se llevaron incluso una sorpresa con los resultados. «Pudimos demostrar que una medición antigua de la estructura del agua lÃquida ha sido mal interpretada. Básicamente, lo que la gente estaba viendo en experimentos anteriores era la borrosidad causada por el movimiento de los átomos de hidrógeno- señala Young-. Pudimos eliminar ese movimiento haciendo todas nuestras grabaciones antes de que los átomos tuvieran tiempo de moverse». Igual que cuando en una foto alguien que se mueve sale borroso, distorsionando la imagen y creando extraños efectos.
Aplicaciones futuras
La aplicación más importante de este experimento es que permitirá comprender cómo afecta la radiación a las moléculas y cómo cambian desde el principio del proceso hasta el final. Y, para ello, además del agua, los cientÃficos tienen que ser capaces de analizar soluciones más complejas «más representativas de la materia impactada por el daño de la radiación, como el tejido humano, los desechos radiactivos y los reactores nucleares», señala Young.