Investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía de EE.UU. utilizaron la supercomputadora "Summit" para realizar simulaciones de dinámica molecular a gran escala y alta precisión sobre el rol dinámico de la interfaz agua-aire en reacciones químicas. Este estudio revela cómo el agua controla las reacciones químicas mediante acoplamiento dinámico con moléculas reactivas, proporcionando una nueva perspectiva para desarrollar métodos que aceleren las reacciones químicas interfaciales.

El equipo de investigación se centró en una reacción de sustitución nucleofílica bimolecular SN2, un mecanismo común en química, física, biología y química atmosférica. Por ejemplo, en la síntesis de fármacos, la reacción SN2 juega un rol importante y se ha utilizado en la producción de ibuprofeno.

Vyacheslav Bryantsev, líder del Grupo de Separación Química de ORNL, dijo: "Nuestra investigación responde por primera vez a la pregunta: '¿Qué rol dinámico juega la interfaz aire-agua en la regulación de la velocidad de las reacciones químicas?' Descubrimos que la velocidad total de reacción en la interfaz aire-agua es más rápida que en el volumen principal de agua ambiental".

Los resultados de la simulación muestran que al extraer moléculas interactuantes del entorno volumétrico del agua a posiciones más cercanas a la superficie del agua, se puede acelerar las reacciones químicas entre agua y aire. Esto se debe a que se reduce el acoplamiento dinámico entre el agua y estas moléculas, permitiendo que las reacciones químicas ocurran con menos interferencia.

Santanu Roy, científico del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, explicó: "Cuanto mayor sea el acoplamiento de las moléculas de agua, mayor es el obstáculo para la reacción. Si podemos reducir este acoplamiento dinámico, podemos aumentar la velocidad de reacción. Nuestra investigación indica que, al alterar el entorno interfacial, podemos controlar este acoplamiento y, por lo tanto, la velocidad de reacción".

El equipo de investigación utilizó el código abierto CP2K en la supercomputadora Summit para simular las trayectorias de reacción de las moléculas y realizó análisis dinámicos de estas rutas, formando un mapa de distribución de energía del proceso. Roy enfatizó: "Sin capacidades computacionales líderes, nuestra teoría no podría verificarse o investigarse. La supercomputadora Summit nos proporcionó una gran ayuda".

Además, la investigación simuló la atracción de moléculas de surfactante cargadas positivamente hacia aminoácidos cargados negativamente, confirmando que la velocidad de reacción aumentó entre un 10% y un 15%. Este hallazgo revela aún más los mecanismos complejos del rol del agua en las reacciones químicas.