La entropía es la clave para explicar un enigma sobre el agua

A menudo, los científicos encuentran cosas extrañas e inesperadas cuando analizan los materiales a escala nanométrica, o sea, en la escala propia de los átomos y moléculas individuales. Esto ocurre incluso con los materiales más comunes, como por ejemplo el agua.

Un buen ejemplo de ello es el siguiente: Desde hace un par de años, se viene observando, a través de investigaciones científicas, que el agua fluye de modo espontáneo dentro de minúsculos tubos de grafito o grafeno conocidos como nanotubos de carbono. Este inesperado fenómeno resulta interesante porque los nanotubos de carbono son un componente prometedor para muchos dispositivos en los nuevos campos de la nanofluídica y la nanofiltración. Entre las aplicaciones potenciales de los nanotubos está la de poder ayudar a mantener flujos extremadamente pequeños o a separar del agua las impurezas. Sin embargo, nadie ha podido explicar de modo satisfactorio, al menos hasta ahora, por qué, a escala molecular, un líquido estable habría de presentar una tendencia a confinarse en un espacio tan minúsculo.

Ahora, usando un novedoso método para calcular la dinámica de las moléculas de agua, unos investigadores del Caltech (el Instituto Tecnológico de California) creen haber resuelto el misterio. Resulta que la entropía, una medida del desorden, es el factor clave que faltaba agregar al rompecabezas.

Es un resultado sorprendente, tal como lo califica William Goddard, profesor de Química, Ciencia de los Materiales y Física Aplicada en el Caltech. Un enfoque científico común al abordar este problema ha sido el de la energía, no el de la entropía.


Esa tendencia científica a buscar la explicación energética se debe a que el agua forma una red extensa de enlaces de hidrógeno, lo cual la hace muy estable. Para superar esas interacciones fuertes se necesita energía. Y dado que para que el agua fluya dentro de los nanotubos se tienen que romper algunos enlaces, parecía poco probable que pudiera hacerlo con esta facilidad.

La entropía es uno de los factores que determinan si un proceso ocurrirá espontáneamente. Representa la cantidad de modos en que puede existir un sistema en un estado particular. Cuantas más configuraciones pueda tener el sistema, mayores serán su desorden y su entropía. Y, en general, la naturaleza tiende al desorden.

En la situación adecuada, todos los enlaces de hidrógeno retienen a las moléculas de agua en su sitio, restringiendo su libertad y manteniendo baja la entropía del agua.

Lo que Goddard y Tod Pascal han descubierto es que, en el caso de algunos nanotubos, el agua adquiere suficiente entropía al entrar a los tubos como para compensar las pérdidas energéticas producidas por la ruptura de algunos de sus enlaces de hidrógeno. Como consecuencia, el agua fluye de modo espontáneo en los tubos.