L'aigua: font de vida i de sorpreses (IV)

Com hem comentat en publicacions anteriors, en l’estat sòlid i líquid cada molècula d’aigua està rodejada per quatre molècules interaccionant per enllaços de pont d’hidrogen seguint un patró tetrahèdric. Però què passa a la superfície? En aquest cas les molècules més externes tenen un dèficit de molècules veïnes i acaben enllaçant-se amb les molècules més properes. La conseqüència és un augment de la cohesió intermolecular i una superfície robusta i sorprenentment elàstica tot i ser líquida. La tensió superficial quantifica aquesta cohesió, i en el cas d’aigua líquida en equilibri amb el seu vapor és de 72,75 mN/m a 293,15 K (20 ^oC). Recordem que aquesta visió estàtica de l’aigua no es correspon amb la realitat i que els enllaços de pont d’hidrogen són molt dinàmics, la qual cosa fa que estadísticament hi hagi enllaços no saturats a la superfície durant temps molt curts, de l’ordre de picosegons (1 ps = 10^-12 s), però que malgrat aquesta vida mitjana tan curta poden ser observats experimentalment. Aquesta realitat dinàmica ens podria fer creure que la superfície és molt inestable, però no és el cas.

L'astronauta Leroy Chiao, comandant de l'expedició 10 i científic de l'Estació Espacial Internacional de la NASA, mirant una esfera d'aigua flotant entre ell i la càmera fotogràfica, que mostra la seva imatge refractada / NASA

Tots hem vist insectes i petits animals caminant o corrent sobre l’aigua o petits objectes que floten sobre l’aigua, que actua com si fos una membrana o una xarxa. No hem de confondre l’elasticitat, que ve donada pels enllaços de pont d’hidrogen (com si fossin molles unint les molècules), amb la força que exerceix l’aigua sobre objectes més o menys pesants (nosaltres mateixos, vaixells, etc.) i que s’explica pel principi d’Arquímedes: la força oposant-se a la gravetat (de baix cap a dalt) que experimenta un objecte (indissoluble i en repòs) dintre de l’aigua és igual al pes de la massa del volum d’aigua desallotjat per l’objecte. Com que la densitat del gel és inferior a la de l’aigua líquida, això fa que el gel suri sobre l’aigua, com en el cas dels icebergs.

Algunes conseqüències:

• Formació de gotes. La curvatura de les gotes, de l’ordre de mil·límetres, ens dona una idea de l’elevada tensió superficial de l’aigua líquida. En absència de gravetat, com a les estacions orbitals espacials, aquestes gotes són molt més grans, en aquest cas de l’ordre de centímetres, i els astronautes acostumen a jugar-hi.
• En condicions favorables de mida i velocitat, les gotes poden rebotar elàsticament sobre superfícies superhidrofòbiques, un fet que pot sorprendre en tractar-se d’un líquid. Les superfícies superhidrofòbiques són aquelles que repel·leixen l’aigua (d’aquí ve el seu nom) i la natura ens ha ensenyat que aquestes superfícies tenen unes estructures que combinen de manera intel·ligent dimensions micromètriques i nanomètriques que fan que les gotes no puguin quedar quietes. L’elevada tensió superficial fa que les gotes no arribin a tocar mai la part més profunda de les estructures; s'evita, d'aquesta manera, la seva fixació (com un llit de faquir!). La superhidrofobicitat fa que les fulles d’algunes plantes (l'exemple més conegut de les quals és la flor de Lotus) estiguin sempre netes, ja que les gotes llisquen i s’emporten micropartícules de pols i altres contaminants (self-cleaning). Aquest estudi de la natura ha permès que ara existeixen recobriments comercials en vidres i parets d’edificis que fan que estiguin permanentment netes, tot i que el funcionament és lleugerament diferent. En aquest cas la llum solar (de fet la radiació ultraviolada) fa que els materials siguin superhidrofílics (el contrari d'hidrofòbic) i que la condensació en forma de gotes induïda per la llum solar arrossegui les micropartícules i contaminants per efecte de la gravetat.
• Capil·laritat. Si tenim un recipient amb aigua i introduïm un tub de vidre perpendicularment a la superfície de l'aigua, veurem que l'aigua dintre del tub es troba a una alçada, h, per sobre del nivell de la superfície de l'aigua (h=0). Com més petit és el diàmetre interior del tub, més gran és l'alçada.

La tensió superficial disminueix en magnitud en presència de contaminants. La primera persona que ho va estudiar sistemàticament va ser Agnes Pockels a finals del segle XIX. Aquest personatge mereix una menció especial: com que a la seva època les dones tenien molt difícil estudiar a la universitat, ella feia els seus estudis "with very homely appliances”, tal com ho va formular el físic anglès Lord Rayleigh, és a dir, a la cuina de casa seva. Un cop Pockels va considerar que el seu treball era prou rellevant va contactar Lord Rayleigh, que, impressionat, va ajudar-la a publicar els seus resultats a la revista Nature ["Surface tension", Nature 43, 437–439 (1891)]. Un instrument que va desenvolupar va ser l’anomenada cubeta de Pockels, amb la qual és possible la preparació artificial de membranes moleculars. Si depositem molècules orgàniques formades per cadenes lineals amb una part polar (hidrofílica) en un extrem i una d'apolar (hidrofòbica) a l’altre extrem sobre una superfície d’aigua, aquestes molècules s’orientaran de tal manera que les parts polars buscaran l’aigua i les apolars se n'allunyaran. Si la densitat és prou elevada, gràcies a la cubeta de Pockels podem arribar a formar monocapes i multicapes orgàniques orientades. Les bicapes es poden considerar membranes artificials. Aquesta tècnica es coneix com a la de Langmuir-Blodgett, en honor als científics que la van desenvolupar i perfeccionar, Irving Langmuir i Katharine Blodgett. Estic convençut que molts científics que han utilitzat aquesta tècnica ignoren que Blodgett era una dona.