El agua, tan ordinaria y tan esencial para la vida, actúa de manera bastante desconcertante para los científicos. Por ejemplo, ¿por qué el hielo es menos denso que el agua, flotando en lugar de hundirse como lo hacen otros líquidos cuando se congelan?
Ahora un nuevo estudio proporciona una fuerte evidencia de una teoría controvertida de que a temperaturas muy frías el agua puede existir en dos formas líquidas distintas, una es 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 ciencia .
"La presencia del punto crítico proporciona una explicación muy simple de las rarezas del agua", dijo el Decano de Investigación de Princeton, Pablo Debenedetti, Profesor de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Clase de 1950, y profesor de ingeniería química y biológica ".el 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 comprimible, o comprimible, a temperaturas más bajas. También hay al menos 17 formasen el 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 muy lejos del punto crítico en sí. En el punto crítico, la compresibilidad y otrosLas 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 aproximadamente -117 grados a -153 grados Fahrenheit a aproximadamente2,000 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 el agua de enfriamiento a temperaturas por debajo de su punto de congelación mientras se mantienecomo 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. Los experimentos con moléculas de agua de la vida real hasta ahora 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 críticoapunte 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 los potentes de hoy en díainvestigación de computadoras, las simulaciones tomaron aproximadamente 1.5 años de tiempo de cálculo.
"Puedes imaginar la alegría cuando comenzamos a ver las fluctuaciones críticas comportándose exactamente como se suponía", dijo Sciortino. "Ahora puedo dormir bien, porque después de 25 años, mi idea original ha sido confirmada".
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 la temperatura baja, las dos fases líquidas participan en un tira y afloja hasta que uno gana ytodo el líquido se vuelve de baja densidad.
En las simulaciones realizadas por el investigador postdoctoral Gül Zerze en Princeton y Sciortino en Roma, cuando bajaron la temperatura muy por debajo del punto de congelación al rango de sobreenfriamiento, la densidad del agua fluyó 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 agua, pero aún no sabemos exactamente por qué el agua no es reemplazable por otro líquido. Creemosla razón tiene que ver con el comportamiento anormal del agua. Otros líquidos no muestran esos comportamientos, por lo que esto debe estar relacionado con el agua como el líquido de la vida ".
Las dos fases del agua ocurren porque la forma de la molécula de agua puede conducir a dos formas de empaquetamiento. En el líquido de menor densidad, cuatro moléculas se agrupan alrededor de una quinta molécula central en una forma geométrica llamada tetraedro. En el líquido de mayor densidad,entra una sexta molécula, lo que tiene el efecto de aumentar la densidad local.
El equipo detectó el punto crítico en dos modelos informáticos diferentes de agua. Para cada modelo, los investigadores sometieron las moléculas de agua a dos enfoques computacionales diferentes para buscar el punto crítico. Ambos enfoques arrojaron el hallazgo de un punto crítico.
Peter Poole, profesor de física en la Universidad St. Francis Xavier en Canadá y estudiante de posgrado cuando colaboró con Sciortino y fue coautor del artículo de 1992 en Nature, dijo que el resultado fue satisfactorio. "Es muy reconfortante tener este nuevo resultado", dijo." Ha sido una espera larga y a veces solitaria desde 1992 para ver otro caso inequívoco de una transición de fase líquido-líquido en un modelo de agua realista ".
C. Austen Angell, Profesor de Regentes en la Universidad Estatal de Arizona, es uno de los pioneros de los experimentos en la década de 1970 sobre la naturaleza del agua sobreenfriada. "No hay duda de que este es un esfuerzo heroico en la simulación de la física del agua con un muy interesantey bienvenido, conclusión ", dijo Angell, que no participó en el presente estudio, en un correo electrónico." Como experimentalista con acceso a mediciones físicas de equilibrio a largo plazo en agua real, siempre me sentí 'a salvo' depreferencia por simuladores de computadora. Pero los datos presentados en el nuevo documento muestran que esto ya no es cierto ".
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