El agua, una molécula esencial para la vida, tiene propiedades inusuales conocidas como: Irregularidades – lo que explica su comportamiento. Sin embargo, aún existen muchos misterios sobre los mecanismos moleculares que explicarían las anomalías que hacen única a la molécula de agua. Comprender y reproducir este comportamiento específico del agua en diferentes rangos de temperatura sigue siendo un gran desafío para la comunidad científica. Ahora, un estudio presenta un nuevo modelo teórico que es capaz de superar las limitaciones de métodos anteriores para comprender cómo se comporta el agua en condiciones extremas. Papel, que aparece en la portada. Revista de física químicaliderado por Giancarlo Franzese y Luis Enrique Coronas de la Facultad de Física y del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad de Barcelona (IN2UB).
Este estudio no sólo amplía nuestra comprensión de la física del agua, sino que también tiene implicaciones para la tecnología, la biología y la biomedicina, particularmente para el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas y el desarrollo de biotecnologías avanzadas.
El modelo CVF: mejor comprensión de la física del agua
El estudio, resultado de una tesis doctoral presentada por Luis E. Coronas a la Facultad de Física de la UB en 2023, muestra un nuevo modelo teórico que responde a las siglas CVF (iniciales del apellido del investigador Luis E. Coronas). , Oriol Vilanova y Giancarlo Franzese). El nuevo modelo CVF es confiable, eficiente, escalable y transferible, e incluye desde el principio Cálculos cuánticos que reproducen con precisión las propiedades termodinámicas del agua en diversas condiciones.
Aplicando el nuevo marco teórico, el estudio muestra que “hay un punto de inflexión entre las dos formas líquidas de agua, y ese punto de inflexión es el origen de las anomalías que hacen que el agua sea única y esencial para la vida también para muchas aplicaciones técnicas”. dice el profesor Gian Carlo Franzese del Departamento de Física Estadística de la Física de la Materia Condensada.
“Aunque ya se ha llegado a esta conclusión en otros modelos de agua, ninguno de ellos tiene las características específicas del modelo que desarrollamos en este estudio”, afirma Franzese.
Algunos modelos existentes para explicar las anomalías del agua no pueden reproducir adecuadamente las propiedades termodinámicas del agua, como su compresibilidad y capacidad calorífica.
“Sin embargo, el modelo CVF hace esto porque incorpora los resultados de cálculos cuánticos elementales de las interacciones entre moléculas. Muchos problemas corporalesvan más allá de la física clásica y se deben al hecho de que las moléculas de agua comparten electrones de una manera que es difícil de medir experimentalmente”, afirma Franzese.
Según la investigación, “las fluctuaciones de densidad, energía y entropía en el agua se rigen por estas interacciones cuánticas, con efectos que van desde escalas nanométricas hasta macroscópicas”, afirma el investigador Luis E. Coronas.
“Por ejemplo — continúa Corona –, el agua regula el intercambio de energía y de moléculas, así como el estado de acumulación de proteínas y ácidos nucleicos en las células. Las alteraciones en estos procesos conducen a enfermedades graves como el Alzheimer, el Parkinson y otras. Se sospechan enfermedades como la esclerosis lateral amiotrófica. Comprender cómo las fluctuaciones del agua contribuyen a estos procesos puede ser la clave para encontrar una cura para estas enfermedades”.
Promover el desarrollo de nuevas biotecnologías
El modelo CVF también ofrece ventajas novedosas al permitir realizar cálculos donde otros modelos fallan, ya sea porque son demasiado complicados desde el punto de vista computacional o porque se desvían significativamente de los resultados experimentales.
En el ámbito del desarrollo tecnológico, algunos laboratorios están desarrollando biotecnología para modificar músculos (actuadores mecánicos) que aprovechen las interacciones cuánticas del agua. Crear dispositivos de memoria a base de agua (con una capacidad millones de veces mayor que los dispositivos existentes), o utilizar esponjas de grafeno que separan el agua de las impurezas gracias a las fluctuaciones de densidad del agua en los nanoporos.
También hay implicaciones para comprender la física del agua. “Este modelo puede reproducir las propiedades del agua líquida en casi todas las temperaturas y presiones de nuestro planeta, aunque se desvía en las condiciones extremas que se encuentran en los laboratorios”, afirman los expertos. “Esto muestra que los efectos no incluidos en el modelo (efectos cuánticos atómicos) son importantes incluso a estas presiones y temperaturas extremas. Por lo tanto, los límites del modelo nos guían hacia dónde llegar a la formulación final del modelo. Tenemos que mejorar ”, concluyen.
