Prueban que el agua sobreenfriada es, en realidad, dos líquidos en uno

Un nuevo estudio ha demostrado que el agua a temperaturas extremadamente frías es relativamente estable, lo que probaría por primera vez la vieja hipótesis de que existe en dos estructuras diferenciadas.

hielo
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Después de realizar las primeras mediciones de agua líquida a temperaturas mucho más frías que su punto de congelación típico, un equipo de investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de EE UU ha llegado a la conclusión de que el agua, sobreenfriada, es en realidad dos líquidos en uno. 
 
El hallazgo, publicado el 17 de septiembre en la revista Science, proporciona datos experimentales buscados durante mucho tiempo para explicar algunos de los comportamientos más extraños que exhibe el agua a temperaturas extremadamente frías, que se encuentran en el espacio exterior y en los confines de la propia atmósfera de la Tierra. 

El agua, una sustancia tan común como peculiar 


Pese a ser una de las sustancias más abundantes y estudiadas del planeta, y a pesar de su aparente simplicidad (dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno por molécula), el H2O es engañosamente complicado. El agua posee una serie de propiedades anómalas, entre ellas, su densidad. Su forma sólida es menos densa que la líquida, una característica que ha permitido preservar la vida y regulado el clima del planeta.

Hasta ahora, algunos científicos se habían preguntado si es posible que el agua exista realmente como un líquido a temperaturas extremadamente bajas, de –83 ºC; o si dicho comportamiento extraño es simplemente el agua reorganizándose en su inevitable camino hacia un sólido. 

Es sorprendentemente difícil que el agua se congele justo por debajo de su punto de fusión: el agua resiste a la congelación a menos que tenga algún otro sólido al que adherirse. Se necesita un empujón enérgico para empujar las moléculas en la disposición especial necesaria para congelar. Y el agua se expande cuando se congela, lo que es un comportamiento extraño en comparación con otros líquidos. Pero esa rareza es lo que sostiene la vida en la Tierra. Si los cubitos de hielo se hundieran o el vapor de agua en la atmósfera no retuviera el calor, la vida en la Tierra tal como la conocemos no existiría.  

El nuevo estudio ha demostrado que el agua líquida a temperaturas extremadamente frías no solo es relativamente estable, sino que existe en dos estructuras diferenciadas, según Greg Kimmel, físico químico de Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL): “Los hallazgos explican una controversia de larga data sobre si el agua profundamente sobreenfriada siempre cristaliza antes de que pueda equilibrarse. La respuesta es: no”. 

El agua sobreenfriada: dos líquidos en uno


Se han propuesto varios modelos para explicar las propiedades inusuales del agua. Los nuevos datos obtenidos utilizando una especie de instantánea en stop motion de agua sobreenfriada muestran que puede condensarse en una estructura similar a un líquido de alta densidad. Esta forma de mayor densidad coexiste con una estructura de menor densidad que está más en línea con la unión típica esperada para el agua.

La proporción de líquido de alta densidad disminuye rápidamente a medida que la temperatura aumenta, lo que respalda las predicciones de modelos de ‘mezcla’ para agua sobreenfriada. Es decir, que el agua a esta temperatura, en realidad, son dos líquidos. 
  
Los investigadores usaron espectroscopía infrarroja para monitorizar las moléculas de agua atrapadas en una especie de stop motion cuando una fina película de hielo fue golpeada con un láser, creando un agua líquida superenfriada durante unos pocos nanosegundos. 

Los científicos han capturado cambios reversibles en la estructura del agua sobreenfriada por primera vez, utilizando calentamiento por láser pulsado y espectroscopía infrarroja. Crédito: Timothy Holland, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Los científicos han capturado cambios reversibles en la estructura del agua sobreenfriada por primera vez, utilizando calentamiento por láser pulsado y espectroscopía infrarroja. Crédito: Timothy Holland, Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico


Además, esta investigación puede ayudar a explicar el graupel, un fenómeno conocido también como granitos de hielo o granizo menudo, que a veces caen durante las tormentas en climas fríos. Se forma cuando un copo de nieve interactúa con agua líquida sobreenfriada en la atmósfera superior. 

Estos estudios también pueden ayudar a comprender cómo puede existir agua líquida en planetas muy fríos (como Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) en nuestro sistema solar y más allá. El vapor de agua sobreenfriado también crearía las colas que se arrastran detrás de los cometas
  
No obstante, aún queda mucho por aprender, y estas mediciones ayudarán a abrir el camino hacia una mejor comprensión del líquido más abundante de la Tierra. 
 

 

Fuente: comunicado de Phys.org 

Referencias: "Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K" Science (2020) https://science.sciencemag.org/content/369/6510/1490 

Laura Marcos

Laura Marcos

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