The weirdness of water could be the answer | Marcia Barbosa | TEDxCERN

Summary

Emma Gon, entusiasta del agua, revela que el 70% de nuestro planeta está cubierto por agua, pero solo el 1% es potable. La escasez de agua fría es un problema creciente, y para 2050, se prevé que la mitad de la población carezca de ella. Gon explica que el agua tiene setenta anomalías, y explora dos: la anomalía de densidad, que permite que el hielo flote en el agua, y la anomalía de difusión, que afecta la movilidad de las moléculas. Estas características pueden ser clave para desarrollar tecnologías innovadoras como nanotubos para desalinar el agua y sistemas que imiten a un escarabajo del desierto africano para capturar vapor de agua, abordando el futuro del abastecimiento de agua fría.

Takeaways

• 💧 El agua es esencial para la vida, formando el 70% de nuestro cuerpo y cubriendo el 70% de la superficie terrestre.
• 🚰 Solo el 1% del agua en la Tierra es potable, lo que representa un desafío creciente ante la escasez de agua fresca.
• 🌍 A medida que la población aumenta, se prevé que en 2050, la mitad de las personas carezca de agua potable.
• 🤔 A pesar de ser un compuesto simple, el agua tiene 70 anomalías que aún no se han comprendido completamente.
• 🧊 La anomalía de densidad del agua es que se expande al enfriarse, lo que permite que el hielo flote en el agua líquida.
• 🌡 La anomalía de difusión del agua indica que sus moléculas se mueven más rápido cuando están más compactas.
• 🔬 La interacción entre moléculas de agua, incluyendo enlaces covalentes y enlaces de hidrógeno, juega un papel crucial en sus propiedades únicas.
• 💡 Se está investigando cómo las anomalías del agua pueden ser utilizadas para obtener más agua potable, como el flujo acelerado de agua en nanotubos.
• 🌊 Los nanotubos pueden ser utilizados para desalinizar el agua de mar, ya que el agua fluye mucho más rápido en ellos que en condiciones normales.
• 🐞 Un insecto del desierto africano puede capturar vapor de agua y transformarlo en líquido, lo que inspira nuevas formas de recolección de agua.
• 🌱 La investigación en la biomimetría, imitando a la naturaleza, ofrece prometedoras soluciones para aumentar la disponibilidad de agua fresca.

Q & A

¿Por qué es importante el agua según el discurso?

El agua es fundamental para la vida, ya que el 70% de la Tierra está cubierto de agua, pero solo el 1% es agua limpia potable. Además, actualmente una de cada seis personas carece de agua fresca, y se prevé que para 2050 será una de cada dos personas.

¿Cuál es el secreto que quiere compartir el orador sobre el agua?

El secreto que quiere compartir es que el agua es muy extraño y tiene 70 anomalías, lo que sugiere que aún hay mucho que aprender sobre su comportamiento y cómo podemos utilizarlo para obtener más agua limpia.

¿Qué es la anomalía de densidad del agua y cómo afecta a la vida en el planeta?

La anomalía de densidad hace que el agua se expanda al enfriarse en lugar de contraerse, lo que permite que el hielo flote en el agua líquida. Esto es crucial para la vida, ya que permite que el agua caliente se mantenga en el fondo de los ríos y lagos, permitiendo que la vida acuática se mantenga incluso en invierno.

¿Qué es la anomalía de difusión del agua y por qué es interesante?

La anomalía de difusión se refiere a que los分子 de agua se mueven más rápido cuando están más densos y compactos. Esto es contrario a lo que ocurre en otros sistemas, donde la movilidad disminuye con la densidad. Esta característica es intrigante y puede tener aplicaciones en la tecnología y la purificación del agua.

¿Cómo se relacionan las interacciones covalentes y las interacciones de enlace de hidrógeno en el comportamiento del agua?

Las interacciones covalentes son fuertes y cercanas, similares a un matrimonio, mientras que las interacciones de enlace de hidrógeno son más débiles y a distancia, similares a coqueteos. Estas interacciones afectan la forma en que se mueven los分子 de agua y su capacidad para formar enlaces con otros materiales, lo que tiene implicaciones en la purificación del agua.

¿Qué es una nanotube y cómo podría ayudar en la desalinización del agua?

Una nanotube es un tubo de diámetro muy pequeño, a menudo de nanómetros, que puede ser utilizado para filtrar el agua. El agua fluye mucho más rápido en las nanotubes, mientras que las sales no pueden entrar fácilmente, lo que hace que las nanotubes sean excelentes candidatos para la desalinización.

¿Cómo captura la escarabajo del desierto de África el vapor del aire y lo convierte en agua potable?

El escarabajo tiene una superficie superior que ama el agua, lo que permite que el vapor del aire se convierta en líquido, y una segunda capa que rechaza el agua, permitiendo que el líquido se desplace hacia la boca del insecto. Esta adaptación natural podría inspirar tecnologías para la recolección de agua.

¿Qué es lo que el grupo del orador está desarrollando para transformar vapor en líquido y almacenarlo?

El grupo está trabajando en una tecnología que combina el amor del agua por las nanotubes con la repulsión del agua por ciertas superficies. Esto podría permitir la conversión eficiente de vapor en agua líquida y su almacenamiento.

¿Cuál es la predicción del orador sobre la disponibilidad de agua fresca en el futuro?

El orador predice que si no se desarrollan nuevos métodos científicos, en 2050, la escasez de agua fresca podría ser un problema mayor, pero también sugiere que las anomalías del agua pueden ser clave para encontrar soluciones innovadoras.

¿Cómo se pueden utilizar las anomalías del agua para mejorar la tecnología de tratamiento del agua?

Las anomalías del agua, como su comportamiento en nanotubes y su capacidad para formar enlaces con otros materiales, pueden ser utilizadas para desarrollar tecnologías de filtración y purificación del agua más eficientes.

Outlines

00:00

💧 El amor y la importancia del agua

El orador, Emma Gon, expresa su pasión por el agua, ya que forma parte integral del ser humano, constituyendo dos tercios de nuestro cuerpo. Ella ha estado estudiando el agua durante quince años y revela que, a pesar de ser fundamental para la vida, el agua tiene propiedades extrañas. A pesar de que el 70% de la Tierra está cubierto de agua, solo el 1% es agua potable. La escasez de agua fresca es un problema creciente, afectando a una de cada seis personas hoy y, se predice, a una de cada dos en 2050. Emma sugiere que podemos utilizar las peculiaridades del agua para obtener más agua fresca.

05:03

🧊 Anomalias del agua y su potencial

Emma introduce dos de las setenta anomalías del agua. La primera es la anomalía de densidad, donde el agua se expande al enfriarse, lo que permite que el hielo flote en el agua líquida. Esto es crucial para la supervivencia de la vida en ríos y lagos durante el invierno. La segunda anomalía es la difusión, donde el agua se mueve más rápidamente cuando es más densa. Esto se debe a las interacciones entre las moléculas de agua, que incluyen enlaces covalentes fuertes y enlaces de hidrógeno más débiles. Aunque estos enlaces son útiles, también pueden causar problemas cuando el agua se une a sustancias tóxicas o sales, lo que la hace inservible para el consumo humano.

10:03

🌐 Soluciones innovadoras para la escasez de agua

Emma explica cómo el flujo acelerado del agua en nanotubos puede ser utilizado para desalinizar aguas saladas, proporcionando una solución potencial para la escasez de agua dulce. Además, menciona el descubrimiento de una escarabajo del desierto africano que puede capturar vapor de agua y convertirlo en líquido potable. Basándose en estas observaciones, su equipo está desarrollando una tecnología que combina la rápida difusión del agua en nanotubos con la capacidad de atraer y rechazar el agua para transformar vapor en líquido y almacenarlo. Emma concluye con una perspectiva optimista sobre el futuro de la tecnología del agua.

Keywords

💡agua

El agua es el elemento central del video, siendo vital para la vida y constituyendo el 70% de la superficie del planeta. Sin embargo, solo el 1% es agua potable. El video destaca la importancia del agua y la necesidad de preservar y encontrar nuevas fuentes de agua fresca, como se menciona en la línea '70% de el planeta está cubierto con agua. Pero, desafortunadamente, solo 1% es agua limpia'.

💡anomalías

Las anomalías de la agua son propiedades inusuales que difieren de las expectativas de la química tradicional. El video menciona que el agua tiene setenta anomalías, como la anomalía de densidad y la de difusión, que son claves para entender su comportamiento y potencial para la generación de agua potable.

💡anomalia de densidad

Esta es una de las anomalías mencionadas en el video y se refiere a que el agua se expande al enfriarse, lo que es contrario a la mayoría de los líquidos. Esto permite que el hielo flote en el agua líquida, como se describe en el fragmento 'La primera anomalía es la anomalía de densidad. La mayoría de los líquidos se contraen bajo enfriamiento. El agua hace lo contrario'.

💡anomalia de difusión

Otra de las anomalías de agua mencionadas, esta se refiere a que las moléculas de agua se mueven más rápido cuando están más densas y compactas. El video utiliza la analogía de que es más fácil 'flirtear' (hacer coquetos) en una fiesta abarrotada que en una fiesta vacía para ilustrar este concepto.

💡nanotubo

Los nanotubos son mencionados como una tecnología clave para filtrar el agua. El agua fluye mucho más rápido en los nanotubos, mientras que las sales no les gustan y no pasan, lo que los hace ideales para desalinizar el agua. El video dice 'In nanotubes, water flows 900 times faster than it would flow if the laws of physics that govern the sinks in our houses governed the nanotubes'.

💡desalinización

El proceso de desalinización es una técnica para quitar sales y otros minerales del agua salada para hacerla potable. El video sugiere que los nanotubos podrían ser utilizados en el futuro para desalinizar aguas en masa, como se indica en 'you have thousands of nanotubes put together, as the perfect filter for desalinating water'.

💡hidrógeno

El hidrógeno es uno de los elementos que componen la molécula de agua, junto con el oxígeno. En el video, se menciona el hidrógeno en el contexto de las interacciones entre las moléculas de agua, donde se forma un enlace de hidrógeno, que es fundamental para las anomalías de la agua.

💡enlace covalente

El enlace covalente es la forma en que el hidrógeno y el oxígeno se unen dentro de la molécula de agua. El video lo compara con el matrimonio, siendo una unión muy estrecha y fuerte, en contraste con el enlace de hidrógeno, que es más débil y a distancia.

💡enlace de hidrógeno

El enlace de hidrógeno es la interacción entre moléculas de agua, que es más débil que el enlace covalente pero es crucial para las anomalías de la agua. El video lo compara con coqueteos, ya que las moléculas de agua se acercan y se alejan constantemente formando y rompiendo enlaces.

💡escarabajo del desierto

El video menciona un escarabajo del desierto de África que puede capturar vapor de agua del aire y transformarlo en agua líquida para beber. Este ejemplo se utiliza para ilustrar cómo la naturaleza ha desarrollado soluciones ingeniosas para la captación de agua, que podrían inspirar tecnologías futuras.

💡filtración

La filtración es el proceso por el cual se separan los sólidos disueltos en una solución, como las sales en el agua. El video sugiere que los nanotubos podrían ser utilizados para filtrar sales de la agua, permitiendo que el agua fluya a gran velocidad mientras las sales quedan atrás.

Highlights

Emma Gon 表达了对水的热爱，包括游泳、冲浪和饮用水。

水占人体比重的三分之二，因此对水的研究对人类至关重要。

地球上70%的表面被水覆盖，但只有1%是可饮用的清洁水。

目前，六分之一的人缺乏淡水，预计到2050年，这一数字将增加到二分之一。

水的奇特性质可以被用来帮助我们获取更多的淡水。

水不是简单的分子，它有许多我们尚未完全理解的特性。

水与硅相比，硅在地球上也很丰富，但水拥有70种异常特性，而硅只有六种。

水的密度异常：大多数液体在冷却时收缩，而水则相反，它会膨胀。

冰之所以能在水面上漂浮，是因为它的体积更大，密度更低。

在自然界中，零度的水能在四度的水之上漂浮，这对生态系统至关重要。

水的扩散异常：在更密集、更紧凑的状态下，水分子移动得更快。

水分子内部的共价键和分子间的氢键相互作用，共同影响水的异常特性。

氢键的弱相互作用使得水分子在更拥挤的环境中更容易移动。

水的强烈键合能力有时会使其与有毒物质结合，如盐，这使得水变得不可饮用。

工业利用水的键合性质来处理废物，但这导致了清洁水的减少。

纳米管中的水流动速度比常规条件下快900倍，这为淡水获取提供了新的可能性。

纳米管可以作为理想的过滤器，因为水喜欢进入纳米管而盐则不喜欢。

非洲沙漠甲虫能够捕捉空气中的水蒸气并将其转化为液态水饮用。

甲虫背部的特殊结构使其能够高效地收集和饮用水。

研究团队正在开发一种结合纳米管和甲虫结构特性的新型水收集技术。

未来，纳米管技术有望解决全球淡水短缺的问题。

Transcripts

Transcriber: Leonardo Silva Reviewer: Emma Gon

I do love water.

I love to swim, to surf,

and even to drink water.

And do you know why I love water?

Because I am water!

Two thirds of our body

is made of water.

And because of that,

for the last fifteen years,

kind of since high school,

I have been studying water.

And I have a secret to tell you:

water is weird,

pretty weird.

OK, it's weird, but it's also fundamental to our lives,

and fortunately,

70% of the planet is covered with water.

But unfortunately, just 1% is clean water,

1% is water that we might be able to drink.

And that's too little.

Today, one in six people

has lack of fresh water.

And in 2050,

it will be one in two people

with lack of fresh water.

Either you or me

will have lack of fresh water.

So, the world needs fresh water.

Please, don't panic,

because today I'm going to tell you

how we can use the weirdness of water

to help us get more fresh water.

So, you see, water is very important.

But when I tell people I work with water,

they usually say to me, "Well, such a simple molecule.

We know everything about water."

Even my mom tells me this.

But that's not true.

Water is not simple,

and you have many things in water

that we still need to understand.

OK. You're not convinced.

Let's compare water with another material:

with silicon.

Silicon is also abundant on the planet.

28% of the crust of the Earth is composed of silicon.

And silicon also has a number of unique properties.

And the fact that silicon has unique properties

and that we have learned how to use these unique properties of silicion

allows us today to have cell phones,

computers, flat screens

and all these instruments that govern our lives today.

And, you know what?

Silicon has just half a dozen anomalies.

Water? Water has seventy.

Yes, 70 anomalies.

So, it's our duty to find ways to use

these anomalous behaviors of water

to have more clean water.

So, how are we going to do that?

Before answering this question,

let me introduce you to two of the seventy anomalies of water.

The first anomaly is the density anomaly.

Most liquids contract under cooling.

Water does the contrary.

If you cool water, it expands.

And that's why ice, that you see on the screen,

floats into liquid water,

because ice occupies more volume, it is less dense,

and it floats on the liquid surface.

But much more interesting than ice floating into liquid water

is the fact that zero-temperature water

floats in four-temperature water.

See the beauty?

When you have winter in the northern hemisphere,

you have ice, followed by zero-temperature water,

and far, at the bottom of the river or lake,

you have the warm four-centigrade water,

with fish and plants surviving.

If water was as common as other materials,

in the first winter, in the glacial time,

it would freeze from the bottom to the top,

and all life would be killed.

It's not that cool -- literally cool.

So, now I come with the second anomaly.

The second anomaly is the diffusion anomaly

and it's related to mobility.

Water, when it's denser, when it's more compact,

its molecules move faster.

"OK, OK. Marcia is saying something wrong with that.

I know that when I have more cars into traffic,

the cars move slower.

When I have more people in the shopping center,

people move slower."

Water, when you have more water molecules,

they move faster.

Is not that bizarre?

So, come one, what's the mechanism for that?

For that, I'm going to give you just a little class of physics.

So, water is composed of one oxygen, the big guy,

and two hydrogens.

And inside the water molecule,

the interaction is the covalent interaction.

But between molecules you have a second interaction,

the hydrogen-bond interaction.

So, what's the difference between the two of them?

Covalent is very close,

is very strong and is very tight.

Hydrogen bond is further apart

and is twenty times weaker. OK?

So, covalent bond is like marriage,

or is like [what] marriage was supposed to be.

You know, the particles are moving together

and they're very tight.

Hydrogen bond is more like flirting.

You are more distant, you flirt here, you flirt there,

you flirt everywhere.

OK. Now I got it. I got it.

When I decrease the temperature and I have ice,

I have all the particles together,

and all the hydrogen bonds made.

So, I'm further apart.

like frozen, I don't move,

but I have the hydrogen bonds.

I heat a little bit the system, I break the bonds

and particles can actually approach,

and that's why ice floats into water.

But how does this increase mobility? Easy.

It's easier to flirt in a crowded party

than to flirt in an empty party.

So, that's why molecules actually move around

when they have more particles,

making bonds, disrupting bonds,

making bonds, disrupting bonds.

Isn't that cool? (Laughter)

But, you know, not always

hydrogen bonds are a good thing.

This deep and great love water has for making bonds

might make water end up in bad company.

Water might make bonds with something that is poisonous to us,

or something that makes water undrinkable, like salt.

So, the bonds are not always a good thing

and, actually, the industry uses this property of water making bonds

to throw away the waste

or to produce things.

More industry, less clean water;

more people, more need for clean water.

So, now you can see why in 2050

we are having you without clean water and me with clean water,

you know, because we need new scientific methods

in order to get more clean water.

And that is where the anomalies of water come about.

Years ago,

we found that the very same mechanism

that makes water move faster, to diffuse faster

also makes water flow faster

when confined in nanotubes.

Let me explain what I mean by faster.

In nanotubes, water flows 900 times faster

than it would flow if the laws of physics

that govern the sinks in our houses

governed the nanotubes.

So, water loves to be in these nanotubes.

It enters and just ballistically flows.

But salt doesn't. Salt hates nanotubes.

It has to undress the hydration shell of water

to get inside the tubes.

So, it doesn't like nanotubes.

So now, if you combine the love of water for nanotubes

and the hate of salt,

you have thousands of nanotubes put together

as the perfect filter for desalinating water,

water that we actually have in abundance on the planet.

This is a possibility, a clear possibility for the future,

when nanotubes become an industrial commodity.

Great!

However, and there's always a "however",

I don't live close to the sea.

So, how can I get more fresh water,

if I don't live close to the sea?

So, a few months ago,

when I couldn't sleep and I was surfing the internet,

seeing, you know, weird animals, etc.,

I came across this beetle

from the desert of Africa.

This animal is capable of capturing the vapor air,

transform it into liquid water and drink it.

Come on, how does this animal does that?

On the back of the animal,

there is an upper surface

in which there are molecules that love water.

And they love it so badly

that they transform vapor into liquid --

which actually requires energy.

And then, there is a second layer that hates water.

So, when the particles of liquid water come to the second layer,

they just slide, as when water's spilled on your sofa,

which you covered with a polymer surface to avoid it getting wet.

And then, the animal is so smart, this beetle,

that he just leans to the front

and water just comes directly to its mouth.

Isn't that perfect? Nature is perfect!

So now, our group is developing

a combination of those two mechanisms.

We have water in nanotubes, flowing fast.

The top of the nanotube loves water

and the bottom of the nanotube hates water

and we're going to use that to transform vapor into liquid

and into storage.

So, stay tuned.

And, years from now,

water in nanotubes will solve the problem

of lack of fresh water on the planet.

Thank you very much.

(Cheers) (Applause)