Los científicos han descubierto un nuevo estado del agua

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

Una de las cosas básicas que aprendemos en las clases de ciencias en la escuela es que el agua puede existir en tres estados diferentes: hielo sólido, agua líquida o vapor gaseoso. Pero recientemente, un equipo internacional de científicos ha encontrado indicios de que el agua líquida puede existir en dos estados diferentes.

Mientras realizaban un trabajo de investigación, los resultados se publicaron más tarde en el International Journal of Nanotechnology, los científicos descubrieron inesperadamente que una serie de propiedades cambian en el agua con una temperatura de 50 a 60 ℃. Esta señal de la posible existencia de un segundo estado líquido del agua ha provocado un acalorado debate en los círculos científicos. Si se confirma, el descubrimiento encontrará aplicaciones en muchas áreas, incluidas la nanotecnología y la biología.

Los estados agregados, también llamados "fases", son el concepto clave de la teoría de sistemas de átomos y moléculas. En términos generales, un sistema que consta de muchas moléculas puede organizarse en forma de un cierto número de configuraciones dependiendo de su cantidad total de energía. A altas temperaturas (y por lo tanto a un nivel de energía más alto), hay un mayor número de configuraciones disponibles para las moléculas, es decir, están menos rígidamente organizadas y se mueven con relativa libertad (fase gaseosa). A temperaturas más bajas, las moléculas tienen menos configuraciones y están en una fase más organizada (líquida). Si la temperatura desciende aún más, asumirán una configuración definida y formarán un sólido.

Este es el estado general de las cosas para moléculas relativamente simples como el dióxido de carbono o el metano, que tienen tres estados distintos (líquido, sólido y gaseoso). Pero las moléculas más complejas tienen un mayor número de configuraciones posibles, lo que significa que el número de fases aumenta. Una excelente ilustración de esto es el comportamiento dual de los cristales líquidos, que se forman a partir de complejos de moléculas orgánicas y pueden fluir como líquidos, pero aún conservan una estructura cristalina sólida.

Dado que las fases de una sustancia están determinadas por su configuración molecular, muchas propiedades físicas cambian drásticamente cuando una sustancia pasa de un estado a otro. En el estudio mencionado anteriormente, los científicos midieron varias propiedades de control del agua entre 0 y 100 ℃ en condiciones atmosféricas normales (para que el agua sea líquida). Inesperadamente, encontraron variaciones dramáticas en propiedades como la tensión superficial del agua y el índice de refracción (el índice que refleja cómo viaja la luz a través del agua) a una temperatura de aproximadamente 50 ℃.

Estructura especial

¿Cómo es esto posible? La estructura de la molécula de agua, H₂O, es muy interesante y se puede representar como una especie de flecha, donde el átomo de oxígeno se ubica en la parte superior, y dos átomos de hidrógeno lo "acompañan" desde los flancos. Los electrones en las moléculas tienden a distribuirse asimétricamente, por lo que la molécula recibe una carga negativa del lado del oxígeno en comparación con el lado del hidrógeno. Esta simple característica estructural conduce al hecho de que las moléculas de agua comienzan a interactuar entre sí de cierta manera, sus cargas opuestas se atraen, formando un llamado enlace de hidrógeno.

Esto permite que el agua en muchos casos se comporte de manera diferente a lo que han observado otros líquidos simples. Por ejemplo, a diferencia de la mayoría de las otras sustancias, una determinada masa de agua ocupa más espacio en estado sólido (en forma de hielo) que en estado líquido, debido al hecho de que sus moléculas forman una estructura regular específica. Otro ejemplo es la tensión superficial del agua líquida, que es el doble de la de otros líquidos no polares y más simples.

El agua es bastante simple, pero no abrumadora. Esto significa que la única explicación para la fase adicional del agua que se ha manifestado es que se comporta un poco como un cristal líquido. Los enlaces de hidrógeno entre moléculas mantienen un cierto orden a bajas temperaturas, pero también pueden llegar a otro estado más libre al aumentar la temperatura. Esto explica las importantes desviaciones observadas por los científicos durante la investigación.

Si esto se confirma, las conclusiones de los autores pueden tener muchos usos. Por ejemplo, si los cambios en el medio ambiente (digamos, la temperatura) implican cambios en las propiedades físicas de una sustancia, teóricamente esto puede usarse para crear equipos de sondeo. O puede abordarlo de manera más fundamental: los sistemas biológicos se componen principalmente de agua. La forma en que las moléculas orgánicas (como las proteínas) interactúan entre sí probablemente dependa de cómo las moléculas de agua forman la fase líquida. Si comprende cómo se comportan las moléculas de agua en promedio a diferentes temperaturas, puede aclarar cómo interactúan en los sistemas biológicos.

Este descubrimiento es una gran oportunidad para teóricos y experimentadores, así como un excelente ejemplo del hecho de que incluso la sustancia más familiar puede esconder secretos en sí misma.

Rodrigo Ledesma Aguilar