Una de las cosas más básicas que nos enseñan en las clases de ciencias de la escuela es que el agua puede existir en tres estados diferentes, ya sea como hielo sólido, agua líquida o gas de vapor. Pero un equipo internacional de científicos ha encontrado recientemente signos de que el agua líquida en realidad podría venir en dos estados diferentes.
Escribiendo en un artículo experimental, publicado en el International Journal of Nanotechnology, los investigadores se sorprendieron al descubrir que una serie de propiedades físicas del agua cambian su comportamiento entre 50 60 y 60 ℃. Este signo de un posible cambio a un segundo estado líquido podría provocar una acalorada discusión en la comunidad científica. Y, si se confirma, podría tener implicaciones para una variedad de campos, incluida la nanotecnología y la biología.
Los estados de la materia, también llamados "fases", son un concepto clave en el estudio de sistemas hechos de átomos y moléculas. En términos generales, un sistema formado por muchas moléculas se puede organizar en un cierto número de configuraciones dependiendo de su energía total. A temperaturas más altas (y por lo tanto, energías más altas), las moléculas tienen más configuraciones posibles y, por lo tanto, están más desorganizadas y pueden moverse con relativa libertad (la fase gaseosa). A temperaturas más bajas, las moléculas tienen un número más limitado de configuraciones y, por lo tanto, forman una fase más ordenada (un líquido). Si la temperatura baja aún más, se organizan en una configuración muy específica, produciendo un sólido.
Esta imagen es común para moléculas relativamente simples como el dióxido de carbono o el metano, que tienen tres estados claros y diferentes (líquido, sólido y gaseoso). Pero para moléculas más complejas, hay un mayor número de configuraciones posibles y esto da lugar a más fases. Una hermosa ilustración de esto es el rico comportamiento de los cristales líquidos, que están formados por moléculas orgánicas complejas y pueden fluir como líquidos, pero aún tienen una estructura cristalina sólida.
Debido a que la fase de una sustancia está determinada por cómo están configuradas sus moléculas, muchas propiedades físicas de esa sustancia cambiarán abruptamente a medida que pase de un estado a otro. En el artículo reciente, los investigadores midieron varias propiedades físicas reveladoras del agua a temperaturas entre 0 ℃ y 100 ℃ en condiciones atmosféricas normales (lo que significa que el agua era un líquido). Sorprendentemente, encontraron un nudo en propiedades como la tensión superficial del agua y su índice de refracción (una medida de cómo la luz viaja a través de ella) a alrededor de 50 ℃.
¿Cómo puede ser esto? La estructura de una molécula de agua, H2O, es muy interesante y puede representarse como una especie de punta de flecha, con los dos átomos de hidrógeno que flanquean el átomo de oxígeno en la parte superior. Los electrones en la molécula tienden a distribuirse de una manera bastante asimétrica, haciendo que el lado de oxígeno tenga carga negativa en relación con el lado de hidrógeno. Esta característica estructural simple conduce a un tipo de interacción entre las moléculas de agua conocida como enlaces de hidrógeno, en la que las cargas opuestas se atraen entre sí.
Esto le da propiedades al agua que, en muchos casos, rompen las tendencias observadas para otros líquidos simples. Por ejemplo, a diferencia de la mayoría de las otras sustancias, una masa fija de agua ocupa más espacio como un sólido (hielo) que como un (líquido) debido a la forma en que las moléculas forman una estructura regular específica. Otro ejemplo es la tensión superficial del agua líquida, que es aproximadamente el doble que la de otros líquidos no polares y más simples.
El agua es bastante simple, pero no demasiado simple. Esto significa que una posibilidad para explicar la aparente fase extra del agua es que se comporta un poco como un cristal líquido. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas mantienen cierto orden a bajas temperaturas, pero eventualmente podrían tomar una segunda fase líquida menos ordenada a temperaturas más altas. Esto podría explicar los problemas observados por los investigadores en sus datos.
Si se confirma, los hallazgos de los autores podrían tener muchas aplicaciones. Por ejemplo, si los cambios en el medio ambiente (como la temperatura) provocan cambios en las propiedades físicas de una sustancia, esto puede usarse potencialmente para aplicaciones de detección. Quizás más fundamentalmente, los sistemas biológicos están hechos principalmente de agua. La forma en que las moléculas biológicas (como las proteínas) interactúan entre sí probablemente depende de la forma específica en que las moléculas de agua se organizan para formar una fase líquida. Comprender cómo las moléculas de agua se organizan en promedio a diferentes temperaturas podría arrojar luz sobre el funcionamiento de cómo interactúan en los sistemas biológicos.
El descubrimiento es una oportunidad emocionante para teóricos y experimentadores, y un hermoso ejemplo de cómo incluso la sustancia más familiar todavía tiene secretos escondidos dentro.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lee el artículo original.
