Descubren que el agua tiene dos formas líquidas a baja temperatura
Un nuevo estudio
proporciona fuerte respaldo a la teoría controvertida de que, a temperaturas
muy frías, el agua puede existir en dos formas líquidas distintas, una menos
densa y más estructurada que la otra.
Investigadores de la
Universidad de Princeton y la Universidad Sapienza de Roma realizaron
simulaciones por computadora de moléculas de agua para descubrir el punto
crítico en el que una fase líquida se transforma en la otra. El estudio fue
publicado esta semana en la revista Science.
"La presencia del
punto crítico proporciona una explicación muy simple de las rarezas del
agua", dijo en un comunicado el decano de investigación de Princeton, el
argentino Pablo Debenedetti, profesor de ingeniería y ciencias aplicadas.
"El hallazgo del punto crítico es equivalente a encontrar una explicación
buena y simple de las muchas cosas que hacen que el agua sea extraña, especialmente
a bajas temperaturas".
Esas "rarezas"
incluyen que, a medida que se enfría, el agua se expande en lugar de
contraerse, resultando en su versión congelada menos densa que en la líquida.
El agua también se vuelve más exprimible (o comprimible) a temperaturas más
bajas. Además, hay al menos 17 formas en que sus moléculas pueden organizarse
cuando se congelan.
Un punto crítico es un
valor único de temperatura y presión en el que dos fases de la materia se
vuelven indistinguibles, y ocurre justo antes de que la materia se transforme
de una fase a otra. Las rarezas del agua se explican fácilmente por la
presencia de un punto crítico, de acuerdo a Debenedetti. En dicho punto, la
compresibilidad y otras medidas termodinámicas de cómo se comportan las
moléculas, como la capacidad calorífica, son infinitas.
Utilizando dos métodos
computacionales diferentes y dos modelos informáticos de agua altamente
realistas, el equipo identificó el punto crítico líquido-líquido en un rango de
aproximadamente 190 a 170 grados Kelvin (-83 a -103 grados Celsius) a
aproximadamente 2000 veces la presión atmosférica a nivel del mar.
La detección del punto
crítico es un paso satisfactorio para los investigadores involucrados en una
larga búsqueda para determinar la explicación física subyacente de las
propiedades inusuales del agua. Hace varias décadas, los físicos teorizaron que
enfriar el agua a temperaturas por debajo de su punto de congelación mientras
lo mantenían como líquido, un estado "sobreenfriado" que ocurre en
nubes de gran altitud, expondría las dos formas líquidas únicas del agua a
presiones suficientemente altas.
Para probar la teoría,
los científicos recurrieron a las simulaciones por computadora. Hasta ahora,
los experimentos con moléculas de agua de la vida real no han proporcionado
evidencia inequívoca de un punto crítico, en parte debido a la tendencia del
agua sobreenfriada a congelarse rápidamente en hielo.
Francesco Sciortino,
profesor de física en la Universidad Sapienza de Roma, realizó uno de los
primeros estudios de modelado de este tipo mientras era investigador
postdoctoral en 1992. Ese estudio, publicado en la revista Nature, fue el
primero en sugerir la existencia de un punto crítico entre las dos formas
líquidas.
El hallazgo actual es
extremadamente importante para Sciortino, quien también es coautor del nuevo
estudio en Science. Para llevarlo a cabo, utilizó computadoras de investigación
mucho más rápidas y potentes y modelos de agua más nuevos y precisos. Incluso
con las poderosas computadoras modernas, las simulaciones tomaron
aproximadamente un año y medio.
En el caso de las dos
formas líquidas del agua, las fases coexisten en un equilibrio incómodo a
temperaturas bajo cero y a presiones suficientemente altas. A medida que baja
la temperatura, las dos fases líquidas participan en un tira y afloja hasta que
una gana y todo el líquido se vuelve de baja densidad.
En las simulaciones
realizadas por Gül Zerze en Princeton y Sciortino en Roma, a medida que
desminuía la temperatura muy por debajo del punto de congelación en el rango
sobreenfriado, la densidad del agua fluctuaba enormemente como se predijo.
Es probable que algunos
de los comportamientos extraños del agua estén relacionados con las propiedades
que dan origen a la vida. "El fluido de la vida es el agua, pero aún no
sabemos exactamente por qué el agua no es reemplazable por otro líquido.
Creemos que la razón tiene que ver con el comportamiento anormal del agua.
Otros líquidos no muestran esos comportamientos, así que esto debe estar
vinculado al agua como el líquido de la vida", explicó Zerze.
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