Investigadores de la Universidad de Estocolmo han utilizado láseres de rayos X avanzados para descubrir una propiedad del agua que se sospechaba desde hacía mucho tiempo: un punto crítico que aparece cuando el agua se enfría profundamente. Ocurre a unos -63 grados Celsius y 1000 atmósferas. Incluso en condiciones cotidianas, este punto oculto afecta el comportamiento del agua, lo que ayuda a explicar muchas de sus propiedades inusuales. Los resultados fueron publicados en la revista. ciencia.
El agua está en todas partes y es esencial para la vida, pero no funciona como otros líquidos. Propiedades como la densidad, la capacidad calorífica, la viscosidad y la compresibilidad responden a la temperatura y la presión de maneras opuestas a lo que los científicos ven en los materiales ordinarios.
En la mayoría de los materiales, el enfriamiento hace que se contraigan y espesen. Según este patrón, el agua debería alcanzar su densidad máxima cuando se congela. En cambio, el hielo flota y el agua líquida es en realidad más densa a 4 grados Celsius. Esta es la razón por la que el agua fría se encuentra debajo del agua cálida en lagos y océanos.
Cuando el agua se enfría por debajo de los 4 grados, comienza a expandirse nuevamente. Si el agua pura se enfría por debajo de 0 grados (donde la cristalización es lenta), esta expansión continúa e incluso se acelera a medida que la temperatura desciende aún más. Otras propiedades, incluidas la compresibilidad y la capacidad calorífica, también se comportan de maneras cada vez más inusuales a medida que disminuye la temperatura.
Capturando el estado oculto del agua con un láser de rayos X
Para investigar estos extraños comportamientos, los científicos utilizaron pulsos de rayos X extremadamente rápidos generados por potentes láseres en Corea del Sur. Estos pulsos les permiten observar el agua en un estado sobreenfriado justo antes de que se congele.
“Lo especial fue que pudimos tomar rayos X a una velocidad inimaginablemente rápida antes de que el hielo se solidifique y observar cómo desaparece la transición líquido-líquido y surge un nuevo estado crítico”, dice Anders Nilsson, profesor de física química en el Departamento de Física de la Universidad de Estocolmo. “Ha habido décadas de hipótesis y varias teorías para explicar estas propiedades extraordinarias, y una teoría es la existencia de un punto crítico. Ahora hemos descubierto que ese punto existe”.
El agua tiene dos formas líquidas y una transición compleja.
A baja temperatura y alta presión, el agua puede existir como dos fases líquidas distintas con diferentes estructuras de enlaces moleculares. A medida que las condiciones cambian, estas dos formas se fusionan en una sola fase en el punto crítico.
Cerca de este punto, el sistema se vuelve muy inestable y el agua pasa rápidamente entre los dos estados líquidos o su mezcla. Estas fluctuaciones se extienden a un amplio rango de temperaturas y presiones, llegando incluso a condiciones ambientales normales. Los científicos creen que estos cambios constantes confieren al agua sus propiedades inusuales.
Más allá del punto crítico, el agua entra en un estado supercrítico y en las condiciones cotidianas ya existe en este régimen.
Un efecto de “agujero negro” en la dinámica del agua
Los investigadores también descubrieron que el movimiento molecular se ralentiza drásticamente a medida que el agua se acerca al punto crítico.
“Parece que si entras en él como si fuera un agujero negro, no puedes escapar del punto crítico”, dice Robin Tybarsky, investigador de física química de la Universidad de Estocolmo.
Una década revolucionaria en ciernes
“Es sorprendente cómo el hielo amorfo, un estado del agua tan ampliamente estudiado, se convirtió en nuestra puerta de entrada a esta región crítica. Es una gran inspiración para mis estudios posteriores y un recordatorio de las posibilidades de descubrimiento en temas tan estudiados como el agua”.
“Poder medir el agua en condiciones de temperatura tan baja sin congelarse era un sueño”, afirma Ysson Andronis, estudiante de doctorado en física química de la Universidad de Estocolmo. “Muchos han soñado con encontrar este punto crítico, pero los medios no estaban disponibles antes del desarrollo de los láseres de rayos X”.
“Me parece muy emocionante que el agua sea el único fluido supercrítico que existe en la atmósfera y también sabemos que sin agua no hay vida. ¿Es esto una pura coincidencia o hay algún conocimiento necesario para nosotros en el futuro?” dice Fivos Perakis, profesor asociado de física química en la Universidad de Estocolmo.
Resolviendo el misterio centenario del agua
“Durante más de un siglo, desde los primeros trabajos de Wolfgang Röntgen, se ha debatido intensamente el origen de las peculiares propiedades del agua”, explica Anders Nilsson. “Los investigadores que estudian la física del agua ahora pueden determinar en este modelo que el agua tiene un punto de inflexión en el régimen sobreenfriado. El siguiente paso es explorar las implicaciones de estos hallazgos sobre la importancia del agua en los procesos físicos, químicos, biológicos, geológicos y relacionados con el clima. Un gran desafío en los próximos años”.
La cooperación internacional detrás del descubrimiento
La investigación implicó la colaboración entre la Universidad de Estocolmo, la Universidad Posttek y PAL-XFEL en Corea del Sur, la Sociedad Max Planck, la Universidad Johannes Gutenberg en Alemania y la Universidad St. Francis Xavier en Canadá. Entre los contribuyentes se encontraban ex miembros del grupo de física química de la Universidad de Estocolmo, junto con Eigerim Corinna, Robin Tybersky, Iason Andronis y Fivos Perakis.
