Por primera vez, los investigadores han presenciado, en tiempo real y a escala molecular, la fusión de átomos de hidrógeno y oxígeno para formar diminutas burbujas de agua de tamaño nanométrico.

Crédito: V. Dravid/Northwestern University.

Este descubrimiento ocurrió en un nuevo estudio de la Universidad Northwestern, en Evanston, Illionis, donde los científicos buscaron entender cómo el paladio —un elemento metálico raro— cataliza la reacción gaseosa que genera agua. Al observar el proceso a nanoescala, el equipo logró desentrañar cómo ocurre y descubrió nuevas estrategias para acelerarlo.

Dado que la reacción no requiere condiciones extremas, los investigadores afirman que podría aprovecharse como una solución práctica para generar agua rápidamente en ambientes áridos, incluso en otros planetas.

«Piensa en el personaje de Matt Damon, Mark Watney, en la película The Martian», dijo Vinayak Dravid, director del Centro Experimental de Caracterización Atómica y Nanoscala de Northwestern (NUANCE), donde se llevó a cabo el estudio. «Él quemó combustible de cohetes para extraer hidrógeno y luego añadió oxígeno de su generador de oxígeno. Nuestro proceso es análogo, excepto que evitamos la necesidad de fuego y otras condiciones extremas. Simplemente mezclamos paladio con gases».

Nueva tecnología permitió el descubrimiento

Desde principios del siglo XX, se sabe que el paladio puede actuar como catalizador para generar agua rápidamente, pero cómo ocurre exactamente esta reacción ha sido un misterio.

«Es un fenómeno conocido, pero nunca se entendió por completo», admitió Yukun Liu, primer autor del estudio y candidato a doctorado en el laboratorio de Dravid. «Para comprenderlo realmente, es necesario combinar la visualización directa de la generación de agua y el análisis estructural a escala atómica».

Ver este proceso con precisión atómica era simplemente imposible, hasta hace nueve meses. En enero de 2024, el equipo de Dravid reveló un método innovador —previamente publicado en Science Advances— para analizar moléculas de gas en tiempo real: una membrana ultrafina que retiene las moléculas de gas dentro de nano-reactores con forma de panal, permitiendo observarlas mediante microscopios electrónicos de transmisión de alto vacío.

La burbuja más pequeña jamás vista

Utilizando esta nueva tecnología, Dravid, Liu y su equipo examinaron la reacción del paladio. Primero observaron cómo los átomos de hidrógeno ingresaban en el paladio, expandiendo su estructura de red cuadrada. Sin embargo, cuando vieron que pequeñas burbujas de agua se formaban en la superficie del paladio, no podían creer lo que estaban presenciando.

«Creemos que es la burbuja más pequeña jamás formada y vista directamente», dijo Liu. «No era lo que esperábamos. Por suerte estábamos grabando, así pudimos demostrarlo».

Receta para la optimización

Después de confirmar que la reacción del paladio generaba agua, los autores del estudio buscaron optimizar el proceso y descubrieron que agregar primero hidrógeno y luego oxígeno producía la reacción más rápida. Debido a que los átomos de hidrógeno son tan pequeños, pueden infiltrarse entre los átomos del paladio, lo que causa que el metal se expanda.

Tras llenar el paladio con hidrógeno, los investigadores añadieron gas de oxígeno. El hidrógeno salió del paladio para reaccionar con el oxígeno, y el paladio volvió a su estado original.

Sistema sostenible para el espacio profundo

Aunque el estudio, publicado en PNAS, se centró en la generación de burbujas a nanoescala, láminas más grandes de paladio podrían producir mayores cantidades de agua. El equipo imagina que, en el futuro, se podrían preparar láminas de paladio llenas de hidrógeno antes de viajar al espacio. Luego, para generar agua potable o para regar plantas, los viajeros solo necesitarían agregar oxígeno.

«El paladio puede parecer costoso, pero es reciclable. Nuestro proceso no lo consume. Lo único que se consume es el gas, y el hidrógeno es el gas más abundante del universo. Después de la reacción, podemos reutilizar la plataforma de paladio una y otra vez», concluyó Liu.

Fuente: Northwestern. Edición: MP.

Mira el primer video de átomos fusionándose en la burbuja de agua más pequeña del mundo