Con estímulos, descubren arcoíris de colores dentro del agua

Un grupo de científicos creó una  solución basada en agua que cambia rápidamente al ser expuesta a distintos estímulos como cambios en el campo magnético, temperatura o pH. La nombraron “agua fotónica”, y esta puede reflejar cualquier color del espectro visible, al igual que partes de regiones ultravioletas e infrarrojas. Esta variabilidad de gama de colores es la más amplia que se pudo ver en materiales sólidos o líquidos.

El trabajo, de Koki Sano y un equipo de colegas de Japón, fue publicado en la última edición de Nature Communications.

“Nuestra agua fotónica cumple dos funciones aparentemente contradictorias: fluidez y orden- dijo el coautor Yasuro Ishida del Centro RIKEN para la Ciencia de la Materia Emergente-, esto es diferente de la noción generalmente concebida que el material fotónico debería ser compuesto por materiales duros”.

Los investigadores se toparon con esta mezcla única por accidente cuando intentaban separar ciertas partículas basadas en tamaño. No tuvieron éxito, pero les sorprendió hallar que, al colocar uno de sus productos en el agua, esta se volvió un color púrpura muy vívido.

Investigando más allá, descubrieron que esta mezcla presenta fluidez y orden, lo que parece contradictorio porque los fluidos son altamente desordenados. Pero esta mezcla tiene la propiedad inusual de ser altamente ordenada, como un cristal.

Además, la distancia periódica (entre unidades de repetición) es extremadamente larga, hasta 675 nm. Esta separación corresponde a una longitud de onda de reflejo de 1750 nm (en la región infrarroja) y si es sintonizada adecuadamente, el fluido puede reflejar luz en todo el espectro visible, que consiste en ondas de aproximadamente 400 a 700 nm. Este rango se extiende hasta 370 nm, en la región ultravioleta. El mismo, de 370 a 1750 nm, es el más amplio de modulación de color reportado en un material fotónico.

¿Cómo se reflejan todos estos colores? Como lo sugiere el nombre, el agua fotónica es agua al 99.5% por volumen. El 0.5 restante contiene los “ingredientes activos”, que son láminas de titanato y amonio cuaternario (iones Q⁺). Al ser añadidos al agua, estos ingredientes no se disuelven como sal o azúcar; en lugar de ello permanecen intactos, como arena en el agua.

Las partículas no disolvibles son llamadas coloides, y al dispersarse en el agua, forman lo que se llama una dispersión coloidal –pero una distinta a otras dispersiones coloidales vistas.

El carácter único de esta nueva dispersión coloidal viene de una larga estructura periódica, mencionada antes, que a su turno crece porque el coloide es altamente cargado con electricidad. Las nanoláminas de titanato tienen una carga negativa fuerte, por lo que las láminas de 0.75 nm de grosor se repelen unas a otras. Normalmente, la repulsión es en gran parte reducida por una nube de iones Q+ con carga positiva en el amonio cuaternario que rodea a las nanoláminas de titanato.

^{Una gota de agua fotónica.} 

Sin embargo, hallaron los científicos, eliminando iones Q+ a través de la centrifugación (un proceso por el que primero intentaban separar los coloides basados en el tamaño) la dispersión coloidal se volvió púrpura. Sin los iones Q+ para disminuir la repulsión, las nanoláminas de titanato se dispersaron al límite. Como resultado, el líquido entero se volvió altamente estructurado, con largas distancias periódicas que causaron que el fluido refleje largas longitudes de ondas de luz. En contraste, el agua ordinaria carece de esta estructura altamente ordenada y de largos períodos, por lo que refleja luz con longitudes de onda mucho más pequeñas que las aquellas en el rango visible, volviéndolas transparentes.

Los investigadores demostraron que el color del agua fotónica puede ser rápidamente manipulado colocando la dispersión coloidal en un campo magnético fuerte, causando que las láminas de titanato se pongan en fila perpendicular al campo. Igualmente, calentando y enfriando el agua fotónica cambia la distancia de separación entre las nanoláminas, y en consecuencia, el color. Incluso cambios pequeños en el pH causan que el color cambie de rojo (7.9) a verde (7.7) a azul (7.3), de nuevo debido a la repulsión electrostática.

En general, materiales fotónicos que reflejan luz en el rango infrarrojo cercano tiene aplicaciones importantes en las telecomunicaciones, pese a que son difíciles de fabricar. El agua fotónica podría tener usos potenciales en esta área, así como en otros campos como dispositivos ópticos inteligentes, sensores ópticos y pantallas, filtros de banda infrarrojo cercana para telecomunicaciones y láseres fotónicos, según Ishida.

Las nanoláminas de titanio también pueden ser usadas dentro de materiales suaves que poseerían funciones únicas debido a su repulsión electrostática. Los autores del estudio esperan también que el agua fotónica sea un nuevo campo en las tradicionales ciencias coloidales.

Daniel Meza

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