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(noticias nanowerk) No hay duda de que el agua importa. Sin ellos, la vida nunca habría comenzado, y mucho menos continuaría existiendo hoy en día, sin mencionar su papel en el medio ambiente, ya que los océanos cubren más del 70% de la Tierra.
Pero a pesar de su ubicuidad, el agua líquida tiene algunas sutilezas electrónicas que han desconcertado durante mucho tiempo a los científicos de la química, la física y la tecnología. Por ejemplo, la afinidad electrónica, es decir, la estabilización energética que experimenta un electrón libre cuando es capturado por el agua, hasta ahora no se ha caracterizado suficientemente desde una perspectiva experimental.
Incluso la teoría de la estructura electrónica más precisa actual no ha logrado aclarar el panorama, lo que significa que cantidades físicas importantes, como la energía con la que se pueden inyectar electrones en agua líquida desde fuentes externas, siguen siendo difíciles de alcanzar. Estas propiedades son cruciales para comprender el comportamiento de los electrones en el agua y podrían desempeñar un papel en los sistemas biológicos, los ciclos ambientales y aplicaciones tecnológicas como la conversión de energía solar.
En un estudio reciente (procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias“Niveles absolutos de energía del agua líquida a partir de la teoría de perturbaciones de muchos cuerpos con correcciones efectivas de vértices”), los investigadores de la EPFL Alexey Tal, Thomas Bischoff y Alfredo Pasquarello han logrado avances significativos en la resolución del rompecabezas. Su estudio, publicado en PNAS, aborda la estructura electrónica del agua utilizando métodos computacionales que van más allá de los enfoques más avanzados actuales.
![Moléculas de agua y densidad de electrones correspondientes al estado de excitón resultante de la absorción de fotones.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64725_1.jpg)
Los investigadores examinaron el agua utilizando un método basado en la «teoría de perturbaciones de muchos cuerpos». Se trata de un marco matemático complejo que se utiliza para estudiar las interacciones de múltiples partículas dentro de un sistema, como los electrones en un sólido o una molécula. Examina cómo estas partículas afectan el comportamiento de las demás, no de forma aislada, sino como parte de un grupo más grande que interactúa. En pocas palabras, la teoría de perturbaciones de muchos cuerpos es una forma de calcular y predecir las propiedades de un sistema de muchos cuerpos teniendo en cuenta todas las interacciones complejas entre sus componentes.
Pero los físicos modificaron la teoría con “correcciones de vértices”: modificaciones a la teoría de perturbaciones de muchos cuerpos que explican las complejas interacciones entre partículas más allá de las aproximaciones más simples. Las correcciones de vértice refinan la teoría al tener en cuenta cómo estas interacciones afectan los niveles de energía de las partículas, p. B. su reacción a campos externos o su propia energía. En resumen, las correcciones de vértices conducen a predicciones más precisas de las propiedades físicas en un sistema de muchos cuerpos.
Modelando las propiedades electrónicas del agua.
Modelar agua líquida plantea un desafío particular: una molécula de agua contiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, y tanto su movimiento térmico como la naturaleza cuántica de sus núcleos desempeñan un papel clave. Teniendo en cuenta estos aspectos, los investigadores determinaron con precisión las propiedades electrónicas del agua, como su potencial de ionización, su afinidad electrónica y su banda prohibida. Estos hallazgos son importantes para comprender cómo interactúa el agua con la luz y otras sustancias a nivel electrónico.
«Nuestro estudio de los niveles de energía del agua concilia la teoría de alto nivel con la experimentación», afirma Alfredo Pasquarello. Alexey Tal destaca además la importancia de la nueva metodología: «Gracias a la descripción avanzada de la estructura electrónica, también pudimos crear un espectro de absorción preciso».
Los resultados tienen implicaciones adicionales. Los desarrollos teóricos aplicados por el equipo de EPFL sientan las bases para un nuevo estándar de aplicación universal para lograr estructuras electrónicas precisas de materiales. Esto representa una herramienta altamente predictiva que podría revolucionar nuestra comprensión fundamental de las propiedades electrónicas en la ciencia de la materia condensada, con aplicaciones en la búsqueda de propiedades de materiales con funcionalidades electrónicas específicas.
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