Los campos eléctricos transforman la química del agua en un nuevo estudio

La investigación sobre la producción de hidrógeno, considerado un recurso energético clave para el futuro, se vio impulsada por un estudio realizado por científicos del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros y el Departamento de Química Yusuf Hamied de la Universidad de Cambridge. Este estudio analizó un proceso relacionado conocido como autodisociación del agua, revelando que los campos eléctricos fuertes alteran drásticamente el comportamiento de las moléculas de agua dentro de dispositivos electroquímicos.

En la naturaleza, los sistemas tienden a seguir principios básicos donde los objetos caen para reducir su energía, y el orden y desorden influyen en los procesos físicos. Este comportamiento se describe mediante la propiedad conocida como entropía, que determina si un proceso químico ocurre espontáneamente. En condiciones normales, como en un vaso de agua, las moléculas de agua rara vez se separan debido a que tanto la energía como la entropía desalientan el proceso. Sin embargo, la introducción de campos eléctricos fuertes cambia esta situación de manera significativa.

Un mecanismo sorprendente bajo campos eléctricos fuertes

Los investigadores descubrieron un mecanismo inesperado que controla la autodisociación del agua bajo intensos campos eléctricos. Este hallazgo desafía la creencia tradicional de que la reacción es controlada principalmente por la energía. Según Yair Litman, líder del grupo en el Instituto Max Planck, "la autodisociación del agua ha sido ampliamente estudiada en condiciones de volumen, donde se entiende que es energéticamente desfavorable y entropicamente restringida. Pero bajo los fuertes campos eléctricos típicos de los entornos electroquímicos, la reacción se comporta de manera muy diferente".

Utilizando simulaciones avanzadas de dinámica molecular, Litman y su coautor Angelos Michaelides encontraron que los campos eléctricos intensos aumentan significativamente la disociación del agua de una manera inesperada. En lugar de reducir el costo energético de la reacción, el campo eléctrico hace que el proceso sea favorable al aumentar la entropía. El campo primero obliga a las moléculas de agua a adoptar una disposición altamente ordenada. Cuando comienzan a formarse los iones, esa estructura se descompone, aumentando el desorden y empujando la reacción hacia adelante.

"Es una inversión completa de lo que sucede en cero campo", explica Litman. "En lugar de que la entropía resista la reacción, ahora la promueve".

Implicaciones para el pH y el diseño electroquímico

Los investigadores también descubrieron que los campos eléctricos fuertes pueden alterar significativamente la acidez del agua. En estas condiciones, el pH puede bajar de un nivel neutro (7) a valores altamente ácidos (tan bajos como 3). Este cambio tiene importantes consecuencias para el funcionamiento y el diseño de los sistemas electroquímicos. "Estos resultados apuntan a un nuevo paradigma", señala Michaelides. "Para entender y mejorar los dispositivos de división del agua, debemos considerar no solo la energía, sino también la entropía y cómo los campos eléctricos remodelan el paisaje molecular del agua".

Los hallazgos sugieren que los científicos pueden necesitar replantearse cómo se modelan las reacciones químicas en el agua cuando intervienen campos eléctricos. También abren nuevas direcciones para el diseño de catalizadores, especialmente para reacciones electroquímicas y "sobre el agua".

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