2 químicos de la UNS lograron reformular una ecuación que se utiliza hace más de 200 años para explicar el comportamiento del agua

Por primera vez revelaron cómo se produce la extensión del agua sobre superficies a nivel molecular, un conocimiento que tiene aplicaciones en  campos tan diversos como la biomedicina, la energía y la nanotecnología. Fue publicado en una de las principales revistas científicas de las ciencias químicas del mundo.

Cuando una gota de agua cae sobre una mesa, un vidrio o la pantalla de un celular, su forma nos dice mucho más de lo que parece: revela cómo el líquido “decide” si extenderse o mantenerse compacto. Ese gesto cotidiano, que cualquiera observa al apoyar un vaso mojado sobre la madera o al mirar la lluvia en la ventana, está regido por una ley física formulada hace más de dos siglos: la ecuación de Young. Ahora, un trabajo publicado en la prestigiosa Journal of the American Chemical Society (JACS) por dos investigadores de la Universidad Nacional del Sur y el CONICET demuestra que detrás de ese comportamiento hay un principio universal ligado a la propia naturaleza del agua, capaz de explicar por qué superficies tan distintas como el vidrio, el grafeno o la sílice terminan mostrando patrones de humectación similares.

El trabajo elaborado por el doctor Gustavo Appignanesi y el licenciado Nicolás Loubet muestra que la propia estructura molecular del agua es la que establece límites fundamentales entre los estados de humectación y no humectación, incluso en condiciones extremas. El hallazgo sugiere que estos fenómenos no dependen únicamente de las características de la superficie sobre la que se extiende el líquido, como describe la ecuación de Young —uno de los pilares de la física de superficies desde hace más de dos siglos—, sino también de propiedades intrínsecas del propio líquido.

“Sinceramente creo que el hecho de que el trabajo de nuestro grupo haya podido reformular conceptos tan básicos y a su vez tan esenciales en campos muy diversos y relevantes, excede completamente lo que uno alguna vez pudo haber soñado”, reconoció el doctor Gustavo Appiganesi, uno de los autores. La obra ofrece un marco predictivo y transferible que puede guiar el diseño racional de interfaces acuosas en campos tan diversos como la biomedicina, la energía, las ciencias del ambiente o la nanotecnología.

Ciencia sobre los hombros de gigantes

La relevancia de este avance se aprecia mejor al considerar la figura de Thomas Young (1773-1829), científico británico reconocido por sus contribuciones a la física, la medicina y la lingüística. Entre otros logros, demostró la naturaleza ondulatoria de la luz mediante el célebre experimento de la doble rendija, describió el astigmatismo ocular y realizó aportes fundamentales al desciframiento de los jeroglíficos egipcios a partir de la Piedra de Rosetta. Su extraordinaria capacidad intelectual le valió el apodo de “el último hombre que lo sabía todo”, y uno de los cráteres de la Luna lleva su nombre.

El fenómeno de la humectación —la capacidad de un líquido como el agua de extenderse sobre una superficie— ha sido estudiado durante siglos mediante una ecuación elaborada por este científico en 1805, y se convirtió en una formulación clásica de la física de superficies. “Sin embargo, hasta ahora se trataba de una descripción macroscópica, sin una explicación clara de su origen molecular. Nosotros propusimos una reformulación que conecta directamente la física de las moléculas de agua con el comportamiento observable de los ángulos de contacto”, explicó el doctor Appignanesi. Él es profesor en el Departamento de Química de la UNS e Investigador Principal del CONICET. Loubet es estudiante del doctorado en Química en esa casa de estudios.

Nicolás Loubet y Gustavo Appignanesi

Este avance fue publicado en una de las revistas más prestigiosas y selectivas en el ámbito de la química. Fundada en 1879 y editada por la American Chemical Society, JACS es reconocida mundialmente por difundir investigaciones de frontera que marcan tendencias en la disciplina. La aparición de este trabajo en sus páginas subraya la relevancia internacional del aporte realizado desde la UNS, que tiene como antecedentes otras investigaciones de Cintia Menendez, Laureano Alarcon, Sebastian Accordino, Alejandro Verde, Ezequiel Cuenca y Joan Manuel Montes de Oca, también integrantes del grupo que dirige el doctor Appiganesi

Los autores introducen el concepto de coeficiente molecular de humectación ( Ωm), que mide la capacidad de una superficie para estabilizar el agua en comparación con el costo energético de los defectos en la red de enlaces de hidrógeno. En otras palabras, este parámetro cuantifica si una superficie logra compensar la “penalización” que sufre el agua cuando sus enlaces se distorsionan o faltan. Si  Ωm es positivo, la superficie se comporta como hidrofílica (atrae al agua); si es negativo, como hidrofóbica (rechaza al agua).

El hallazgo más notable es que, al expresar los ángulos de contacto en términos de este coeficiente molecular, superficies químicamente muy distintas —como sílice, grafeno o monocapas autoensambladas— muestran un comportamiento universal. Todas colapsan en una misma curva maestra, lo que revela que la humectación no depende de interacciones específicas, sino de la capacidad general de la superficie para estabilizar el agua frente a su escala energética intrínseca.

Este resultado confirma que la escala energética propia del agua —su red de enlaces de hidrógeno— es la que dicta los límites entre humectación y no humectación, incluso en condiciones extremas; más que las características de la superficie donde se el agua se expande. De hecho, permite llegar a una definición de la “hidrofobicidad” en términos moleculares, como la incapacidad de una superficie de compensar los defectos de enlaces de hidrógeno generados en su capa de hidratación, al menos al nivel que los mismos son reparados en el agua masiva.

Gracias a este descubrimiento ahora la ciencia tiene un marco molecular unificado para entender y predecir la humectación del agua en superficies, algo que antes se describía solo a nivel macroscópico. Las aplicaciones potenciales son muy amplias: en el diseño de materiales hidrofóbicos e hidrofílicos elcoeficiente molecular de humectación permite ajustar con precisión cómo interactúa el agua con recubrimientos, membranas o polímeros, lo que es clave en empaques, textiles y superficies autolimpiantes.

Por su parte, en nanotecnología y biomedicina, puede ayudar a predecir cuándo el agua llenará o vaciará espacios, optimizando sensores, transportadores de fármacos y materiales biomiméticos. En la energía y su almacenamiento, la comprensión molecular de la adhesión y cavitación puede mejorar electrodos en baterías acuosas, sistemas de separación y tecnologías de captura de energía basadas en interfaces líquidas.

A su vez, en las ciencias ambientales saber cómo el agua interactúa con superficies minerales o sintéticas ayuda a diseñar materiales para purificación, desalinización y control de contaminantes. También posee aplicaciones en la industria química y farmacéutica: ya que puede guiar la formulación de emulsiones, suspensiones y sistemas de liberación controlada, donde la estabilidad depende de la humectación y adhesión molecular. También en el diseño racional de fármacos, donde resultan centrales las interacciones no-covalentes y la remoción del agua de hidratación.

“En esta publicación se condensan décadas de trabajo colectivo. Por un lado, el gran trabajo de todos los integrantes de mi grupo a lo largo de los años, enfatizando la impresionante labor de Nicolás, sin quien esto no hubiera sido posible. Y por otro, el trabajo y la formación que me impregnaron diferentes maestros locales e internacionales, resaltando en al doctor Rubén Montani y, por sobre todo, al doctor Ariel Fernández, quien mucho tuvo que ver en la construcción de un modo de mirar y de “habitar” en profundidad los problemas científicos durante mi doctorado”, explicó el doctor Appignanesi.

“Humildemente, uno nunca hubiera imaginado poder asomarnos a la posibilidad de transgredir el paradigma tradicional de la hidratación hacia un enfoque “agua-céntrico que unifique bajo un mismo marco conceptual fenómenos acuosos en diversos ambientes que usualmente tenían abordajes diferentes y, a su vez, recalibre fuertemente heurísticas e intuiciones tradicionales. Esperamos, en tal sentido, que el mismo tenga el potencial de habilitar nuevas estrategias de diseño racional en numerosos campos”, celebró el investigador

fuente: Enfoque UNS