El Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid resolvió una de las grandes controversias científicas, que llevaba más de 30 años en discusión, sobre cómo interactúa el agua con materiales hidrofóbicos. Según el estudio dado a conocer por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) este martes, el agua y el grafito nunca llegan a estar en contacto (en contra de lo que se pensaba) porque "una fina capa de hidrocarburos procedentes del aire se interpone entre ambos" e impide su contacto real y modifica por completo la interacción entre ambos. Este velo invisible "altera las mediciones y ayuda a explicar fallos de rendimiento en numerosos dispositivos, además de abrir la puerta a rediseñar sensores, filtros y tecnologías energéticas más eficientes", añade el estudio. Además, esta capa, formada por apenas dos o tres moléculas de grosor, aparece de manera espontánea cuando el material entra en contacto con el ambiente.

El equipo internacional resolvió así una de las grandes controversias sobre cómo interactúa el agua con los materiales basados en el carbono, como el grafito, ampliamente utilizados en sensores biomédicos, filtros de descontaminación y dispositivos de almacenamiento energético. la presencia de esta fina capa molecular que evita el contacto directo agua-carbono explica, según las conclusiones del 'paper' publicado en 'Nature Communications', por qué distintos laboratorios habían obtenido resultados contradictorios durante años al estudiar la interfaz entre dos de los elementos con mayor presencia en la naturaleza, según los investigadores que lo llevaron a cabo.

BIOSENSORES Y FOTOCATÁLISIS

La estructura del agua en contacto con materiales sólidos es clave para numerosos sistemas tecnológicos y biológicos, desde las interfaces electrodo-agua en dispositivos electroquímicos hasta la interacción agua-membrana en las células o las superficies semiconductor-agua utilizadas en biosensores y procesos de fotocatálisis. Durante más de tres décadas científicos de todo el mundo debatieron cómo se organiza el agua cuando entra en contacto con superficies sólidas, una "cuestión clave para sistemas que van desde los dispositivos electroquímicos hasta los biosensores o los procesos de fotocatálisis". La interacción se produce en una región extremadamente pequeña (de apenas uno o dos nanómetros) donde incluso trazas de contaminantes orgánicos o sales pueden acumularse y alterar completamente el comportamiento del sistema, según este trabajo.

También el hallazgo ayuda a entender fenómenos observados en aplicaciones reales, como "la pérdida de sensibilidad en determinados sensores o el menor rendimiento de algunas membranas de filtración". "Comprender cómo se estructura el agua sobre superficies sólidas resulta clave para múltiples tecnologías", asegún el investigador del CSIC en el ICMM y colíder del trabajo, Ricardo García, quien detalló que “la capacidad de identificar la estructura realista de las interfaces sólido-agua es crucial para el diseño racional de sistemas destinados a la conversión y almacenamiento de energía o a la biodetección”.

CENTRO ESPAÑOL PIONERO MUNDIAL

El avance fue posible gracias "a la combinación de microscopía de fuerza atómica tridimensional (una técnica en la que el grupo del ICMM-CSIC es pionero mundial) y espectroscopía Raman", lo que permitió "observar con resolución atómica cómo se organizan las moléculas de agua cuando llegan al grafito en condiciones reales de laboratorio".

El fenómeno podría afectar también a otros materiales hidrofóbicos, incluidos algunos semiconductores y metales, que al exponerse al aire podrían quedar igualmente cubiertos por esta barrera de hidrocarburos. “La mayoría de los materiales sólidos pueden aumentar su hidrofobicidad al estar en contacto con el ambiente. Ahora sabemos que, en muchos casos, esa repulsión al agua no proviene del material en sí, sino de una barrera de hidrocarburos que se interpone entre su superficie y el líquido”, concluyó el investigador del CSIC.