Los investigadores prueban que el agua tiene múltiples estados líquidos
Un artículo recientemente publicado en la revista Science revela que el agua puede existir como dos líquidos de diferente densidad
El agua es un líquido omnipresente con muchas propiedades muy singulares. La forma en que responde a los cambios de presión y temperatura puede ser completamente diferente de otros líquidos que conocemos, y estas propiedades son esenciales para muchas aplicaciones prácticas y particularmente para la vida tal como la conocemos. Lo que causa estas anomalías ha sido por mucho tiempo una fuente de inspiración científica con varias explicaciones teóricas, pero ahora un equipo internacional de investigadores, que incluye a Nicolas Giovambattista, un profesor del Centro de Graduados de la CUNY y presidente del Departamento de Física del Brooklyn College, ha probado que el agua puede existir en dos estados líquidos diferentes, un hallazgo que puede explicar muchas de las propiedades anómalas del agua. Su investigación aparece en un artículo publicado en la edición del 20 de noviembre de la revista Science. "La posibilidad de que el agua pueda existir en dos estados líquidos diferentes se propuso hace aproximadamente 30 años, basándose en los resultados obtenidos de las simulaciones por ordenador", dijo Giovambattista. "Esta hipótesis contraria a la intuición ha sido una de las cuestiones más importantes en la química y la física del agua, y un escenario controvertido desde sus comienzos. Esto se debe a que los experimentos que pueden acceder a los dos estados líquidos del agua han sido muy difíciles debido a la aparentemente inevitable formación de hielo en las condiciones en las que los dos líquidos deberían existir".
El gráfico anterior ofrece una visión conceptual de cómo el agua puede existir en dos estados líquidos separados por una fina interfaz. El líquido de abajo es más denso que el de arriba, porque está compuesto de moléculas de agua que están más compactadas.
Jerker Lokrantz and Anders Nilsson
El estado "líquido" habitual del agua que todos conocemos corresponde al agua líquida a temperaturas normales (aproximadamente 25 centígrados). Sin embargo, el documento muestra que el agua a bajas temperaturas (aproximadamente -63 centígrados) existe en dos estados líquidos diferentes, un líquido de baja densidad a bajas presiones y un líquido de alta densidad a altas presiones. Estos dos líquidos tienen propiedades notablemente diferentes y difieren en un 20% de densidad. Los resultados implican que, en condiciones apropiadas, el agua debería existir como dos líquidos inmiscibles separados por una fina interfase similar a la coexistencia de petróleo y agua.
Debido a que el agua es una de las sustancias más importantes de la Tierra - el disolvente de la vida tal y como la conocemos - su comportamiento de fase juega un papel fundamental en diferentes campos, incluyendo la bioquímica, el clima, la criopreservación, la criobiología, la ciencia de los materiales, y en muchos procesos industriales en los que el agua actúa como disolvente, producto, reactivo o impureza. De ello se deduce que las características inusuales en el comportamiento de las fases del agua, como la presencia de dos estados líquidos, pueden afectar a numerosas aplicaciones científicas y de ingeniería.
"Sigue siendo una cuestión abierta cómo la presencia de dos líquidos puede afectar al comportamiento de las soluciones acuosas en general, y en particular, cómo los dos líquidos pueden afectar a las biomoléculas en ambientes acuosos", dijo Giovambattista. "Esto motiva estudios adicionales en la búsqueda de aplicaciones potenciales". Giovambattista es miembro de los programas de doctorado en Física y Química del Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York (CUNY).
El equipo internacional, dirigido por Anders Nilsson, profesor de física química en la Universidad de Estocolmo, utilizó complejos experimentos y simulaciones por ordenador para probar esta teoría. Los experimentos, descritos como "de ciencia-ficción" por Giovambattista, fueron realizados por colegas de la Universidad de Estocolmo en Suecia, la Universidad POSTECH en Corea, PAL-XFEL en Corea, y el laboratorio nacional de aceleradores SLAC en California. Las simulaciones por computadora fueron realizadas por Giovambattista y Peter H. Poole, profesor de la Universidad St. Francis Xavier en Canadá. Las simulaciones por computadora jugaron un papel importante en la interpretación de los experimentos, ya que éstos son extremadamente complejos y algunos observables no son accesibles durante los experimentos.
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