Publicado 17/07/2020 13:38CET

Fuerte evidencia de dos formas líquidas para el agua a baja temperatura

Fuerte evidencia de dos formas líquidas para el agua a baja temperatura
Fuerte evidencia de dos formas líquidas para el agua a baja temperatura - JOHN SALATAS, CREATIVE COMMONS LICENSE

   MADRID, 17 Jul. (EUROPA PRESS) -

   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, 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".

   Las rarezas del agua incluyen que a medida que el agua se enfría, se expande en lugar de contraerse, por lo que el agua congelada es menos densa que el agua líquida. El agua también se vuelve más exprimible (o comprimible) a temperaturas más bajas. También 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, dijo Debenedetti. La presencia de un punto crítico se siente en las propiedades de la sustancia bastante lejos del punto crítico en sí. En el punto crítico, 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 2.000 veces la presión atmosférica a nivel del mar.

   La detección del punto crítico es un paso satisfactorio para los investigadores involucrados en la búsqueda de décadas 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 investigadores 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 nuevo hallazgo es extremadamente satisfactorio para Sciortino, quien también es coautor del nuevo estudio en Science. El nuevo estudio utilizó computadoras de investigación mucho más rápidas y potentes de la actualidad y modelos de agua más nuevos y más precisos. Incluso con las poderosas computadoras de investigación actuales, las simulaciones tomaron aproximadamente 1,5 años de tiempo de cálculo.

   En el caso de las dos formas líquidas de agua, las dos 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 el investigador postdoctoral Gül Zerze en Princeton y Sciortino en Roma, a medida que bajaban 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 detrás de las propiedades que dan vida al agua, dijo Zerze. "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".