HAY DOS AGUAS

Aunque parece algo ordinario, el agua tiene un comportamiento bastante desconcertante. ¿Por qué, por ejemplo, flota el hielo, cuando la mayoría de líquidos cristalizan en forma de sólidos densos y se hunden?

Utilizando un modelo de ordenador para explorar el agua a medida que se congela, un equipo de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, Estados Unidos, ha hallado que los comportamientos extraños del agua podrían surgir de una especie de doble personalidad: a muy bajas temperaturas y por encima de cierta presión, el agua podría dividirse espontáneamente en dos formas líquidas.

Los resultados obtenidos por el equipo de Pablo Debenedetti y Jeremy Palmer demuestran que a temperaturas lo bastante bajas el agua puede coexistir como dos fases líquidas diferentes de distintas densidades.

Las dos formas coexisten un poco como el aceite y el vinagre con los que se condimenta una ensalada, excepto que el agua se separa de ella misma en vez de hacerlo de un líquido distinto. Algunas de las moléculas tienden a adoptar una fase y otras tienden a adoptar la otra.

El descubrimiento de que el agua tiene esta naturaleza dual podría llevar a una mejor comprensión de cómo se comporta bajo las temperaturas frías reinantes en nubes de gran altitud, donde el agua líquida puede existir por debajo del punto de congelación, en un estado “superfrío”, antes de formar granizo o nieve. Entender cómo se comporta el agua en las nubes podría mejorar la habilidad predictiva de los actuales modelos meteorológicos y climáticos.

El nuevo hallazgo sirve como prueba a favor de la hipótesis de "transición líquido-líquido", sugerida por primera vez en 1992 por Eugene Stanley y sus colegas en la Universidad de Boston, y tema de reciente debate. La hipótesis manifiesta que la existencia de dos formas de agua podría explicar muchas de sus extrañas propiedades, no sólo la de que el hielo flota sino también la alta capacidad del agua de absorber calor y el hecho de que se la pueda comprimir más a medida que se enfría.

El hielo normal, a la izquierda, contiene moléculas de agua enlazadas en estructuras con forma de anillo mediante enlaces de hidrógeno, representadas por las líneas de guiones azules, entre los átomos de oxígeno (esferas rojas) y los átomos de hidrógeno (esferas blancas) de las moléculas vecinas, con seis moléculas de agua por anillo. Cada molécula de agua en el hielo también tiene cuatro vecinas, conformando un tetraedro, mostrado en la ilustración de la derecha, con una molécula en el centro, enlazada por puentes de hidrógeno con las cuatro moléculas vecinas. Las líneas verdes indican los bordes del tetraedro. Las moléculas en el agua líquida forman tetraedros distorsionados y estructuras de anillo que pueden contener más o menos de seis moléculas por anillo. 

Los investigadores de la Universidad de Princeton llevaron a cabo simulaciones por ordenador para explorar qué le pasa al agua cuando, bajo ciertas condiciones, se la enfría a temperaturas por debajo del punto de congelación, y encontraron que el líquido superfrío se separó en dos líquidos con diferentes densidades.

A temperaturas frías, las moléculas en la mayoría de los líquidos se mueven a un ritmo cada vez más lento, estableciéndose finalmente en un sólido denso y ordenado que se hunde si se lo coloca en un líquido. El hielo, sin embargo, flota en el agua debido al comportamiento inusual de sus moléculas, que a medida que se van enfriando empiezan a empujarse y a apartarse las unas de las otras. El resultado, son regiones de densidad más baja (es decir, regiones con menos moléculas metidas en un volumen dado) en medio de otras regiones de densidad más alta. Cuando la temperatura va bajando aún más, las regiones de baja densidad se imponen, haciéndose tan dominantes que se apoderan de la mezcla y ésta se congela en un sólido que es menos denso que el líquido original.

El trabajo del equipo de la Universidad de Princeton demuestra que estas regiones de baja y alta densidad son restos de las dos fases líquidas que pueden coexistir en un equilibrio frágil pero estable, a muy bajas temperaturas y a altas presiones.

En las simulaciones mediante supercomputadoras, el equipo de investigación encontró que, bajo ciertas condiciones (aproximadamente 45º C. -0 y unas 2.400 veces las presión atmosférica normal), las moléculas de agua se separaban en dos líquidos que diferían en densidad. El patrón de moléculas en cada uno era también diferente.


Fuente: Princeton University