El hidrógeno se perfila como una fuente de energía clave para el futuro. Sin embargo, la eficiencia en su producción depende de comprender a fondo cómo se separan las moléculas de agua en el proceso de electrólisis. Una reciente investigación ha revelado un fenómeno sorprendente: los campos eléctricos fuertes alteran drásticamente el comportamiento fundamental de las moléculas de agua.
Científicos del Max Planck Institute for Polymer Research y la Universidad de Cambridge estudiaron el proceso conocido como autodisociación del agua. Si bien la química básica de la división del agua es conocida en condiciones normales, el comportamiento del agua dentro de dispositivos electroquímicos con campos eléctricos fuertes presenta secretos muy diferentes.
Inversión de las Leyes Naturales a Escala Molecular
En condiciones cotidianas, los sistemas tienden a moverse hacia energías más bajas o un mayor desorden (entropía). En un vaso de agua común, las moléculas de agua rara vez se separan espontáneamente, ya que este proceso está inhibido por factores energéticos y entrópicos. No obstante, cuando se aplica un campo eléctrico fuerte, la situación cambia por completo.
La investigación, publicada en la revista Journal of the American Chemical Society, desafía la antigua suposición de que la reacción de división del agua está controlada únicamente por la energía.
“La autodisociación del agua se ha estudiado ampliamente en condiciones masivas, donde se entiende como un ascenso energético difícil y entrópicamente inhibido”, explica Yair Litman, líder del grupo en el Max Planck Institute. “Sin embargo, bajo campos eléctricos fuertes típicos de los entornos electroquímicos, la reacción se comporta de manera muy diferente.”
De Inhibidor a Impulsor
Utilizando simulaciones avanzadas de dinámica molecular, Litman y Angelos Michaelides descubrieron que el campo eléctrico acelera la disociación del agua no reduciendo el costo energético, sino aumentando el caos molecular después de que se forman los iones.
Inicialmente, el campo eléctrico obliga a las moléculas de agua a adoptar una disposición muy ordenada. Sin embargo, cuando comienzan a formarse iones, esta estructura colapsa y, en cambio, aumenta el caos (entropía), impulsando la reacción hacia adelante más rápidamente.
“Esta es una inversión total de lo que ocurre en un campo cero”, aclara Litman. “En lugar de que la entropía se oponga a la reacción, ahora la impulsa.”
Impacto en el Diseño Electroquímico y el pH
Este hallazgo también revela otro hecho sorprendente: los campos eléctricos fuertes pueden alterar significativamente el nivel de acidez (pH) del agua. En estas condiciones, el pH del agua puede disminuir de neutro (7) a muy ácido (hasta alcanzar un valor de 3). Este cambio tiene importantes consecuencias para el funcionamiento y el diseño de los sistemas electroquímicos del futuro.
Angelos Michaelides enfatiza la importancia de esta nueva perspectiva. “Para comprender y mejorar los dispositivos de separación de agua, debemos considerar no solo la energía, sino también la entropía y cómo el campo eléctrico remodela el paisaje molecular del agua”, afirma.
Este descubrimiento abre nuevas vías para el diseño de catalizadores, especialmente para reacciones electroquímicas y la producción de hidrógeno más eficiente. Los científicos ahora deben reconsiderar la forma de modelar las reacciones químicas en el agua cuando se involucran campos eléctricos. (Science Daily/Z-2)
