El agua confinada en espacios nanométricos revela propiedades eléctricas extraordinarias

Un equipo internacional liderado por científicos de la Universidad de Manchester, con la participación de investigadores del Centro de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), ha descubierto que el agua, cuando queda confinada en espacios de apenas unos nanómetros de espesor, presenta propiedades eléctricas radicalmente distintas a las del agua común.

Mediante una técnica avanzada de microscopía de fuerzas atómicas —conocida como microscopía dieléctrica de barrido (SDM)—, los investigadores midieron por primera vez en el plano las propiedades eléctricas del agua confinada entre capas de nitruro de boro hexagonal (hBN) separadas por distancias de hasta 1 nanómetro.

Los resultados fueron sorprendentes: cuando el agua queda atrapada en espacios equivalentes a solo 4 o 5 capas moleculares, su constante dieléctrica en el plano alcanza valores cercanos a 1.000, comparables a los de algunos materiales ferroeléctricos. Además, su conductividad protónica aumenta de manera notable, aproximándose a los valores característicos de los líquidos superiónicos. 

Este hallazgo, publicado en la revista Nature, supone un cambio profundo en la comprensión del comportamiento del agua a escala nanométrica, al revelar un régimen eléctrico completamente nuevo.

Nueva frontera para la ciencia de materiales

El hallazgo tiene implicaciones de gran alcance en biología, energía y nanotecnología. Que el agua pueda adquirir propiedades ferroeléctricas y superiónicas al quedar confinada en espacios de solo unos nanómetros abre una nueva frontera para la ciencia de materiales.

Este comportamiento podría aprovecharse para diseñar baterías, supercondensadores o sistemas de desalinización más eficientes, y también aporta pistas sobre procesos bioquímicos esenciales, como el transporte de iones a través de membranas celulares. Comprender y controlar estas propiedades eléctricas a escala nanométrica podría, además, impulsar el desarrollo de materiales nanofluídicos con propiedades ajustables.

Para estudiar este fenómeno, el equipo utilizó microscopía dieléctrica de barrido, una técnica capaz de medir propiedades eléctricas locales con resolución nanométrica. Los investigadores fabricaron canales a escala atómica mediante el ensamblaje de van der Waals de cristales bidimensionales, creando espacios perfectamente controlados donde el agua quedaba confinada entre capas sólidas de unos pocos átomos de grosor.

Las mediciones abarcaron un amplio rango de frecuencias, desde centenas de hercios hasta gigahercios, y se validaron con simulaciones numéricas detalladas. Los resultados revelan que el confinamiento extremo reorganiza la red de enlaces de hidrógeno del agua, sugiriendo que así se facilita la polarización de los dipolos moleculares y el transporte de protones. Esta nueva estructura explicaría las propiedades eléctricas excepcionales observadas, que convierten el agua confinada en un medio con comportamiento similar al de los materiales ferroeléctricos y superiónicos.

La conductividad superiónica del agua confinada

En condiciones normales, el agua presenta una constante dieléctrica de alrededor de 80 y una conductividad baja. Sin embargo, cuando el espacio disponible se reduce a unas pocas distancias moleculares, su estructura se reorganiza completamente, adoptando una configuración estratificada que transforma su comportamiento eléctrico.

Una forma de imaginarlo es pensar en el agua como un conjunto de canicas moviéndose libremente en una bandeja: cada molécula puede rotar y desplazarse con libertad. Si comprimimos ese espacio hasta que solo quepan cuatro o cinco filas, las canicas deben organizarse en líneas ordenadas, limitando sus movimientos.

Eso mismo ocurre con las moléculas de agua cuando se confinan a escala nanométrica: la falta de espacio las obliga a alinearse, cambiando la forma en que responden a los campos eléctricos.

La conductividad superiónica del agua confinada también puede compararse con un sistema de mensajería ultrarrápido. En el agua normal, los protones se transfieren lentamente entre moléculas, como una nota que pasa de mano en mano en un grupo desorganizado. En cambio, en el agua confinada, las moléculas forman una cadena perfectamente alineada, donde el “mensaje” —el protón— puede transmitirse casi instantáneamente de un extremo a otro.

_____________________

Referencia bibliográfica:

Wang, R., Souilamas, M., Esfandiar, A. et al. In-plane dielectric constant and conductivity of confined water. Nature 646, 606–610 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09558-y

Más información:  UAM Gazette