El agua tiene muchas propiedades inusuales, como su forma sólida, hielo, que puede flotar en agua líquida, y se vuelven más raras por debajo de su punto de congelación. El agua sobreenfriada - debajo de la congelación pero aún un líquido - es notoriamente difícil de estudiarAlgunos investigadores pensaron que el agua sobreenfriada se comportó de manera extraña dentro de un rango particularmente frío, pasando de un líquido a un sólido, cristalizándose instantáneamente a una temperatura particular como algo sacado de una novela de Kurt Vonnegut.
Ahora, los investigadores han descubierto una forma de tomar instantáneas de agua congelada dentro de ese rango profundamente sobreenfriado. ¿Y adivinen qué? El agua no es tan extraña como podría ser. El agua líquida puede existir completamente, cristalizándose en un sólidomás lentamente a medida que las cosas se enfrían, como se esperaba, pero nunca de una vez.
Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía informó el trabajo de esta semana Actas de la Academia Nacional de Ciencias Early Edition en línea. Aunque los resultados no cambiarán la forma en que prepara su té helado en verano, podría ayudar a los teóricos a profundizar su comprensión del agua y ayudar a los científicos atmosféricos a comprender mejor la lluvia y las nubes.
Un extraño truco de agua
La mayoría de la gente sabe que el hielo flota en el agua líquida, pero es posible que no sepan que el agua tiene dificultades para formar un vidrio. Un vidrio, como una ventana, es un sólido en el que las moléculas están realmente dispuestas como lo haríanestar en un líquido
Tome un montón de naranjas. Las naranjas mezcladas sin apretar en una bolsa son como un líquido: las moléculas individuales pueden moverse con bastante libertad. Si empaca las naranjas en una caja, formará un cristal. Si aprieta la bolsa yevita que las naranjas revueltas se muevan pero sin organizarlas ordenadamente, formas un vaso.
Los vidrios son excelentes porque pueden contener contaminantes - piense en una mosca en ámbar, o desechos nucleares en vidrio vitrificado - mientras que los cristales expulsan contaminantes - congelar el agua de mar es una forma de desalinizarlo. Para hacer un vidrio, los investigadores derriten arenau otro componente hasta que esté líquido. Y luego lo enfrían tan rápido que no puede formar un cristal antes de que se solidifique.
Pero congele el agua a granel rápidamente y no se forma un vaso. Rápidamente se convierte en hielo. Para convertirse en vidrio, el agua líquida debe enfriarse a una temperatura muy baja en microsegundos: aproximadamente 136 Kelvin aproximadamente menos 215 grados F, untemperatura común en el espacio exterior, donde algunos esperan que exista agua cristalina.
El rango que ha sido difícil de estudiar está ligeramente por encima de la llamada temperatura de transición vítrea. Los científicos no saben qué está pasando entre aproximadamente 160 y 235 K. En la vida real, eso es entre la temperatura en la luna de Marte, Fobos yFairbanks, Alaska, en pleno invierno. En el extremo superior de ese rango más cercano a 235 K, Fairbanks, el agua se congela de un líquido sobreenfriado a un cristal en milisegundos, lo que es demasiado rápido para que lo estudien las técnicas analíticas actuales..
Los científicos propusieron una variedad de ideas para explicar lo que podría estar sucediendo en esa región inexplorada. Se preguntaron si el agua seguiría siendo metaestable, líquida pero preparada para comenzar a cristalizarse en cualquier momento hasta las temperaturasdonde se convierte en un vaso. O si el líquido se volviera inestable en algún lugar más cálido que eso, alrededor de 228 K un poco más cálido que los mínimos récord en la estación McMurdo en la Antártida, momento en el que se cristalizaría espontáneamente debido a lo que los físicos llaman singularidad.Además, podría estar sucediendo algo dentro de ese rango que pueda ayudar a explicar por qué el agua tiene dificultades para formar un vaso.
"Hubo una gran cantidad de postulados pero una escasez de datos", dijo el físico químico de PNNL Bruce Kay.
"Nuestro objetivo era desarrollar una nueva técnica para calentar y enfriar rápidamente las películas de agua sobreenfriadas a nanoescala", dijo el físico de PNNL Greg Kimmel.
El misterio dentro
Para obtener los datos en ese rango inconmensurable, Kimmel y Kay trabajaron con Yuntao Xu, un experto en láser, y otros en PNNL y desarrollaron una forma de calentar y enfriar agua en escalas de tiempo de nanosegundos con un láser. Usando este método, los científicos de PNNLmidió la rapidez con que el agua sobreenfriada se convirtió en hielo cristalino a medida que disminuyó la temperatura. El tiempo de cristalización se redujo de nanosegundos cerca de las temperaturas más altas a horas a 126 K. En ningún momento, especialmente a 228 K, el agua sobreenfriada se rompió en un cristal, gobernandofuera de la posibilidad de una singularidad.
Para buscar la singularidad desde otro ángulo, los investigadores exploraron qué tan rápido podían moverse las moléculas de agua sobreenfriada y cuánto cambiaba a medida que se enfriaba. Si existiera la singularidad, esperarían que las moléculas de agua no pudieran moverseen algún momento. Desde el punto de congelación hasta el punto de cristalización, las moléculas se movían más y más lentamente de una manera compleja pero continua. En general, la relación entre la temperatura y la rapidez con que las moléculas podían moverse no sugería una singularidad a 228 K.
"Probablemente podamos quitar la singularidad de la mesa", dijo Kay de PNNL.
Tomados en conjunto, los resultados proporcionan información valiosa sobre cómo se comporta el agua.
"Por ejemplo, en química atmosférica, se encuentran gotas de agua sobreenfriadas en las nubes. Hay preguntas sobre cuánto tiempo persisten", dijo Kimmel de PNNL.
Este trabajo se realizó en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE en PNNL. Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía BES-CHEM.
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