Descubierta una segunda forma líquida del agua

Nuevos experimentos indican que el elemento líquido por excelencia, el agua, no tiene una, sino dos formas líquidas distintas.

Esta nueva investigación muestra que el agua a bajas temperaturas existe en dos estados diferentes. Una de las formas es  un líquido de baja densidad a bajas presiones y la otra es un líquido de alta densidad a altas presiones. Estos dos líquidos tienen propiedades notablemente diferentes y difieren en un 20% de densidad. Suzuki, por medio de este experimento,  brinda lo que parece ser la observación directa de dos formas de agua líquida, que pueden interconvertirse a alta presión muy por debajo del punto de congelación normal del agua. Sin embargo, estas observaciones hasta ahora solo se han realizado soluciones de azúcar trehalosa  y no en agua pura. 

gota de agua
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Nuevos experimentos indican que el elemento líquido por excelencia, el agua, no tiene una, sino dos formas líquidas distintas. Los investigadores han estado buscando la forma exacta de este binomio, que pueden interconvertirse a alta presión muy por debajo del punto de congelación normal del agua.

Desde que fuera teorizado hace 30 años por un equipo de la Universidad de Boston, se ha acumulado evidencia de que realmente existe. Ahora, Yoshiharu Suzuki, investigador del Centro de Investigación para la Medición y Caracterización Avanzadas del Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales de Japón, ha encontrado pruebas de su existencia y las ha publicado en un artículo para Proceedings of the National Academy of Sciences.

Veamos qué significa exactamente que el agua tenga dos formas a temperaturas normales el agua es líquida, es la que conocemos, pero esta nueva investigación muestra que el agua a bajas temperaturas existe en dos estados diferentes.

Una de las formas es  un líquido de baja densidad a bajas presiones y la otra es un líquido de alta densidad a altas presiones. Estos dos líquidos tienen propiedades notablemente diferentes y difieren en un 20% de densidad.

Suzuki, por medio de este experimento, brinda lo que parece ser la observación directa de dos formas de agua líquida, que pueden interconvertirse a alta presión muy por debajo del punto de congelación normal del agua. Sin embargo, estas observaciones hasta ahora solo se han realizado soluciones de azúcar trehalosa  y no en agua pura. 

La investigación demuestra que, aunque los líquidos están estructuralmente desordenados, no es inmediatamente obvio cómo pueden soportar dos estructuras distintas con diferentes densidades. Pero eso parece ser posible para los líquidos en los que algún grado de enlace direccional, como los enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua adyacentes, hace posible distintas estructuras locales.

Llegar a comprender cómo se comportan estas soluciones súper frías podría tener implicaciones para la biología y la crioconservación, donde debe evitarse el daño a los tejidos biológicos por los cristales de hielo, así como por los estados ricos en agua que podrían existir en las atmósferas de los gigantes gaseosos

Es difícil sondear profundamente en estados sobreenfriados sin que las muestras se congelan y esto supone un problema. Una forma de evitar la congelación es hacer que el líquido se convierta en una emulsión, esparciendolo como pequeñas gotas en las que la posibilidad de que se formen cristales de hielo es menor.

En 2014, Yoshiharu Suzuki del National Institute for Materials Science en Tsukuba, Japón, en colaboración con el veterano investigador del agua Osamu Mishima, informó posibles signos de una transición líquido-líquido, que termina en un punto crítico donde los dos estados líquidos se vuelven indistinguibles, en emulsión, soluciones sobreenfriadas de glicerol. Vieron signos de dos estados desordenados distintos con diferentes densidades a una temperatura de 150K. directa de que ambos fueran líquidos, en lugar de hielo amorfo.

Suzuki ahora ha explorado el mismo enfoque utilizando trehalosa como soluto, un azúcar producido como crioprotector natural por algunos organismos, como los insectos, que experimentan frío extremo, para evitar que su sangre se congele.

Para ello, presuriza soluciones emulsionadas diluidas a aproximadamente 0,6 GPa en un rango de temperaturas por debajo de 159 K y luego las descomprimió nuevamente. Esto primero forma una fase sólida vítrea, que puede transformarse en un líquido viscoso al liberar la presión. «Formar primero la fase vítrea es crucial para evitar que la solución se separe en una fase rica en solutos y hielo casi puro», asegura Suzuki.

Suzuki vio un fuerte aumento en la densidad a medida que aumentaba la presión, y una fuerte caída similar en la densidad, a una presión algo más baja, en la descompresión. Estos cambios ocurren mientras la solución aún es viscosa en lugar de vidriosa, y Suzuki los interpreta como transformaciones entre un líquido de alta y baja densidad.

Esta histéresis, en la que la densidad salta a diferentes presiones en la compresión y la descompresión, es normal para una transición de primer orden en la que un parámetro como la densidad cambia de forma discontinua. Refleja el hecho de que la transición tiene que comenzar con la formación fortuita de un «núcleo» de la nueva fase, que luego crece.

En sus investigaciones aún no puede concluir con certeza el por qué la trehalosa estabiliza tan bien el agua contra la cristalización, en comparación con el glicerol, sin embargo,  esto podría ayudar a explicar por qué la vida la usa como anticongelante, además de haber servido de vehículo para demostrar la existencia de dos formas líquidas del agua.

Referencia:

Poole, P. et al. Phase behaviour of metastable water. Nature (1992). https://doi.org/10.1038/360324a0

Doctor Fisión

Doctor Fision

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

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