Un hallazgo sobre la interacción agua-grafito abre nuevas vías para mejorar sensores y tecnologías de descontaminación

Un estudio coliderado por el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ICMM-CSIC) ha resuelto una de las principales controversias científicas sobre la interacción del agua con materiales hidrofóbicos como el grafito. El trabajo demuestra que el agua no llega a tocar directamente la superficie del grafito, ya que entre ambos se forma una capa microscópica de moléculas orgánicas procedentes del aire. El hallazgo, publicado en la revista Nature Communications y destacado por la propia publicación científica, puede tener implicaciones en el desarrollo de sensores, tecnologías de filtración, sistemas energéticos y aplicaciones de descontaminación.

Durante años, distintos laboratorios habían obtenido resultados aparentemente contradictorios al estudiar cómo se comporta el agua sobre el grafito, un material ampliamente utilizado en aplicaciones tecnológicas. El equipo investigador ha comprobado que la causa de esas discrepancias está en la presencia de hidrocarburos ambientales, contaminantes invisibles que se adhieren de forma espontánea a las superficies.

Según explica Ricardo García, investigador del CSIC en el ICMM-CSIC y colíder del estudio, “el agua nunca llega a colocarse en la superficie del material, porque se interpone una fina capa de dos o tres moléculas de hidrocarburos procedentes del entorno, y esto condiciona por completo las propiedades finales del material”.

La investigación se apoya especialmente en el desarrollo de microscopía de fuerza atómica tridimensional, una técnica en la que el grupo del ICMM-CSIC es pionero, y que permite estudiar con gran precisión las interfaces entre líquidos y sólidos.

Comprender cómo el agua interactúa con superficies sólidas es clave para múltiples procesos tecnológicos. En este sentido, García señala que “la capacidad de identificar la estructura realista de las interfaces sólido-agua es crucial para el diseño racional de sistemas que sirvan para conversión y almacenamiento de energía o la biodetección”.

Observación a escala atómica

El análisis de estas interacciones en condiciones ambientales reales ha sido tradicionalmente complejo, ya que la estructura del agua puede verse alterada por numerosos factores. Para superar estas limitaciones, el equipo internacional combinó técnicas avanzadas de microscopía de fuerza atómica tridimensional con espectroscopía Raman, lo que permitió observar a nivel atómico el comportamiento del agua sobre el grafito.

“La delgada capa de hidrocarburos, que normalmente sería irrelevante, a nivel molecular afecta a su superficie y cambia sus propiedades. Y esto permite explicar fenómenos que antes no cuadraban como, por ejemplo, que una membrana descontaminante fuera más lenta de lo esperado”, detalla García.

La investigación se apoya especialmente en el desarrollo de microscopía de fuerza atómica tridimensional, una técnica en la que el grupo del ICMM-CSIC es pionero, y que permite estudiar con gran precisión las interfaces entre líquidos y sólidos. En este sistema, una punta extremadamente fina interactúa con el líquido que cubre el material, lo que permite visualizar la organización atómica y analizar su comportamiento con un nivel de detalle sin precedentes.

Implicaciones para tecnologías energéticas y del agua

El grafito es una de las formas naturales del carbono y presenta propiedades relevantes para diversas aplicaciones tecnológicas. Las interfaces agua-carbono se consideran especialmente importantes en ámbitos como el almacenamiento de energía, la electrocatálisis, la biodetección de contaminantes o la desalinización de agua.

Además de aportar una explicación a los resultados experimentales divergentes obtenidos hasta ahora, el estudio establece un método que permite garantizar mediciones reproducibles entre diferentes laboratorios, un aspecto clave para el avance de la investigación en este campo.

Los investigadores consideran que este fenómeno podría extenderse a otros materiales sólidos. Muchos semiconductores o metales, al exponerse al aire, pueden acumular capas invisibles de compuestos orgánicos que alteran su interacción con el agua. En estos casos, la presencia de hidrocarburos puede aumentar la hidrofobicidad, es decir, la capacidad de repeler el agua e impedir que se adhiera a la superficie.