¿Es el agua algo incomprensible?

La civilización moderna se basa en la incompresibilidad del agua, pero ahora se predice la existencia de una nueva física que gobierna la compresión del agua bajo un campo eléctrico de alto gradiente.

El profesor de física de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign Aleksei Aksimentiev y su investigador postdoctoral James Wilson descubrieron que un campo eléctrico elevado aplicado a un pequeño orificio en una membrana de grafeno comprimía las moléculas de agua que viajaban a través del poro en un 3 por ciento. La compresión del agua prevista puede eventualmente resultar útil en el filtrado de alta precisión de biomoléculas para la investigación biomédica.

 

"Este es un fenómeno inesperado, contrario a lo que pensábamos que sabíamos sobre el transporte de nanoporos. Después de explorar muchas soluciones potenciales, el avance vino cuando nos dimos cuenta de que no deberíamos asumir que el agua es incompresible. Ahora que entendemos lo que está sucediendo en las simulaciones de computadora, podemos reproducir este fenómeno en cálculos teóricos".

 

Los sistemas hidráulicos aprovechan la virtual no compresibilidad de fluidos como el agua o el aceite para multiplicar la fuerza mecánica. Bulldozers, grúas y otras máquinas pesadas explotan la física de la hidráulica, al igual que los frenos de automóviles, los sistemas de rociadores contra incendios y los sistemas municipales de agua y desechos. Se requiere una presión extraordinaria para comprimir el agua. Incluso en el fondo de los océanos más profundos, miles de metros debajo de la superficie, donde la presión es igual a alrededor de 1000 atmósferas, el agua se comprime solo en un 5 por ciento.

 

Los científicos llevaron a cabo este estudio para probar nuevos métodos en la secuenciación de ADN con nanoporos de grafeno. En los últimos años, los nanoporos de grafeno han demostrado ser tremendamente prometedores para la secuenciación de ADN económica. La forma en que funciona, el ADN se suspende en agua y luego el ADN, el agua y los iones son atraídos por un campo eléctrico a través de un pequeño orificio en una membrana de grafeno. El campo eléctrico aplicado a través de la lámina de grafeno atrae los iones disueltos y cualquier partícula cargada, el ADN es una partícula cargada negativamente. Las cuatro nucleobases del ADN se leen como las diferencias en el flujo de iones que produce cada nucleobase de forma distintiva.

 

El tamaño del agujero y la delgadez de la hoja son fundamentales para este método. La lámina de grafeno tiene solo un átomo de grosor, el diámetro del nanoporo mide solo alrededor de 3 nanómetros o el ancho de 10 átomos, y las moléculas de ADN miden aproximadamente 2 nanómetros de ancho.

 

En este estudio, Aksimentiev y Wilson se propusieron desarrollar un modelo computacional que les permitiera controlar la velocidad del transporte de ADN a través de un nanoporo de grafeno. Sabían que aumentar el campo eléctrico aplicado debería aumentar la velocidad del transporte en el mismo múltiplo, pero cuando aumentaron el campo diez veces, el ADN se bloqueó por completo para que no pasara por el agujero.

Wilson describe lo que vio en la simulación: "Estábamos tratando de ver si cambiando la carga en la hoja de grafeno, se cambiaría la tasa de captura del ADN como se predijo. Nuestras simulaciones mostraron que el ADN pasa a través del nanoporo como se esperaba en campos eléctricos más bajos, pero cuando aplicas 1 voltio, parece que el ADN está bailando sobre el nanoporo, como lo quiere hacer, pero por alguna razón no puede".

"Resulta que el gradiente del campo eléctrico es lo que comprime el agua, porque el agua es un dieléctrico. Un campo eléctrico muy alto no lo hará, solo un campo que cambia en el espacio. Las cargas en la molécula de agua se alinean con el campo eléctrico, y las cargas que están más cerca donde el campo eléctrico está más alto se tiran más fuerte que las cargas más cerca donde el campo eléctrico es más débil".

Aksimentiev agrega: "Todo esto solo funciona porque la membrana es muy delgada y el campo eléctrico está enfocado donde está la membrana, comprimiendo la molécula de agua desde ambos lados. La compresión es solo del 3 por ciento, pero eso presiona el agua, es equivalente a 100 atmósferas, y la presión básicamente empuja al ADN hacia atrás para que no pueda viajar a través del nanoporo". Wilson continúa:" Una vez que resolvimos que lo que realmente estaba sucediendo era la compresión del agua, hablamos con experimentadores que trabajaban con nanoporos de grafeno. He aprendido que este fenómeno ya se pudo haber observado en el laboratorio. Al parecer, la gente lo ha visto, pero no pudieron explicarlo. Será necesario repetir los experimentos para validar nuestra teoría ".

Aksimentiev concluye: "Originalmente nos habíamos propuesto usar este trabajo para la secuenciación del ADN. Pero ahora creemos que podemos utilizarlo para identificar y separar biomoléculas que son muy similares pero tienen una pequeña diferencia. Por ejemplo, podrías tener muchas de las mismas proteínas, pero algunos pueden llevar una marca muy pequeña, una modificación postraduccional, que altera su carga. Esa diferencia de solo un electrón determinaría si la molécula pasa a través del nanoporo o no, porque eso es una función de la carga. Así que podríamos usar este nuevo fenómeno de compresión de agua para filtrar con precisión biomoléculas ".