Físicos descubren un segundo estado del agua líquida

Es uno de los compuestos más fundamentales en la Tierra, y representa aproximadamente el 60 por ciento del cuerpo humano, y sin embargo el agua está resultando ser más extraña de lo que podríamos haber imaginado.

Físicos descubren un segundo estado del agua líquida

Los investigadores han estado investigando las propiedades físicas del agua, y encontraron que cuando se calienta entre 40 y 60 grados centígrados, surge una «temperatura de cruce», y parece comenzar a cambiar entre dos estados diferentes de líquido.

Como un compuesto químico, el agua es tan vital para la vida en la Tierra, hemos estado subestimando lo legítimamente extraña que es.

Todos nos hemos acostumbrado a ello, es difícil imaginar que las cosas sean más complejas que los tres estados básicos: sólido, líquido, gas. (Bajo circunstancias muy raras, también puede formarse un estado parecido al plasma).

Pero de muchas maneras, el agua es diferente a cualquier otra sustancia del planeta.

Con la excepción de Mercurio, el agua tiene la tensión superficial más alta de todos los líquidos. Es también una de las únicas sustancias conocidas cuyo estado sólido puede flotar en su estado líquido, y a diferencia de casi todas las otras sustancias conocidas, el agua se expande cuando se congela.

También tiene un extraño punto de ebullición. Mientras que los puntos de ebullición de otros hidruros, como el telururo de hidrógeno y el sulfuro de hidrógeno, disminuyen a medida que disminuye su tamaño molecular, el H2O tiene un punto de ebullición sorprendentemente grande para un peso molecular tan pequeño.

«Nadie realmente entiende el agua», señala Philip Ball en Nature. «Es vergonzoso admitirlo, pero a pesar de que el agua cubre dos tercios de nuestro planeta sigue siendo un misterio, peor, cuanto más miramos, más se acumulan los problemas: nuevas técnicas que investigan más profundamente en la arquitectura molecular del agua líquida están generando más confusiones».

Ahora los físicos han demostrado que en algún lugar entre las temperaturas de 40 y 60 grados centígrados (104 y 140 grados Fahrenheit), el agua líquida puede «cambiar» los estados, exhibiendo un nuevo conjunto de propiedades en función del estado al que se mueve.

Para averiguar esto, un equipo internacional dirigido por la física Laura Maestro de la Universidad de Oxford en el Reino Unido examinó una serie de propiedades específicas del agua.

Observaron cosas como la conductividad térmica, el índice de refracción, la conductividad, la tensión superficial y la constante dieléctrica – lo bien que un campo eléctrico se puede propagar a través de una sustancia – y cómo respondieron a las fluctuaciones de temperatura entre 0 y 100 grados centígrados.

Una vez que el agua llegó a los 40 grados, las cosas comenzaron a cambiar, y las propiedades estaban cambiando durante todo el camino hasta llegar a los 60 grados. Cada propiedad tenía una «temperatura de cruce» diferente en algún lugar dentro de este umbral, y los investigadores sugieren que esto es porque el agua líquida había cambiado en una fase diferente.

El equipo enumera algunas de estas temperaturas: aproximadamente 64 grados Celsius para la conductividad térmica, 50 grados Celsius para el índice de refracción, cerca de 53 grados Celsius para la conductividad, y 57 grados Celsius para la tensión superficial.

«Estos resultados confirman que en el rango de 0 a 100 grados Celsius, el agua líquida presenta una temperatura de cruce en muchas de sus propiedades cerca de los 50 grados Celsius», concluyen.

Entonces, ¿qué está pasando aquí? Todavía no está claro, pero el hecho de que el agua podría estar cambiando entre dos estados completamente diferentes de líquido a ciertas temperaturas podría estar relacionado con las propiedades tan inusuales que posee el H2O en general.

Las moléculas de agua mantienen conexiones de muy corta duración entre sí, y estos enlaces de hidrógeno son en realidad mucho más débiles que los enlaces que unen los átomos individuales de hidrógeno y oxígeno dentro de las moléculas.

Por esta razón, los enlaces de hidrógeno que unen las moléculas de agua están constantemente rompiéndose y reformándose, y sin embargo, dentro de todo ese caos, las estructuras fijas y las «reglas» persisten. Los físicos sospechan que esto es lo que da al agua sus propiedades inusuales, pero nadie está completamente seguro de cómo funciona.

«Todo el mundo está de acuerdo en que un aspecto de la estructura molecular del agua lo distingue de la mayoría de los otros líquidos: enlaces fugaces de hidrógeno», escribe Ball para Nature.

«Estos débiles vínculos que unen a las moléculas se rompen constantemente y se forman por encima del punto de fusión del agua, pero todavía imponen un cierto grado de estructura en el revoltijo molecular».

Si bien los resultados del equipo necesitarán ser replicados por un equipo independiente antes de que podamos empezar a reescribir los libros de texto para reflejar los cuatro (¿o 3,5?) Estados del agua que podrían existir, el equipo manifestó que su descubrimiento podría tener grandes implicaciones para nuestra comprensión tanto de los sistemas nano como biológicos.

«Por ejemplo, las propiedades ópticas de las nanopartículas metálicas (oro y plata) dispersas en el agua, utilizadas como nanoprobes, y las propiedades de emisión de los puntos cuánticos, utilizados para la bioimagen de fluorescencia y la orientación tumoral, muestran un comportamiento singular en este rango de temperatura», escriben en el informe.

«Esto también plantea la cuestión de si los cambios estructurales impulsados por la temperatura en el agua podrían afectar a las macromoléculas biológicas en soluciones acuosas, y en particular en las proteínas, que son las unidades biológicas funcionales vitales en las células vivas».

La investigación ha sido publicada en el International Journal of Nanotechnology.

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