El agua se puede separar en dos líquidos diferentes, y estamos cerca de saber por qué

Física

La deslumbrante belleza de un copo de nieve es testimonio de las asombrosas formas que el agua puede formar por debajo del punto de congelación. Colocada bajo presión, la elegante danza de la molécula de H2O se contorsiona en algo extraño a temperaturas súper frías, atándose virtualmente en nudos para evitar transformarse en hielo. Investigadores de la Universidad de Birmingham en el Reino Unido y la Sapienza Università di Roma en Italia examinaron el comportamiento de las moléculas en agua líquida a presión colocada en condiciones que normalmente harían que cristalizara.

Basándose en una forma novedosa de modelar el comportamiento del agua como una suspensión de partículas, identificaron características clave de dos estados líquidos diferentes; uno ‘topológicamente complejo’, unido en un nudo simple similar a un pretzel, el otro en una formación de menor densidad de anillos más simples.

“Este modelo coloidal de agua proporciona una lupa en el agua molecular y nos permite desentrañar los secretos del agua relacionados con la historia de dos líquidos”, dice el químico de la Universidad de Birmingham, Dwaipayan Chakrabarti.

Las teorías establecidas en la década de 1990 han insinuado los tipos de interacciones moleculares que podrían estar ocurriendo cuando el agua se sobreenfría, es decir, se enfría a temperaturas por debajo de su punto de congelación típico sin solidificarse. Los científicos han estado empujando los límites en el enfriamiento del agua sin que cambie a un estado sólido durante años, y finalmente lograron mantenerla en una forma líquida caótica a una temperatura increíblemente fría de -263°C durante una fracción de momento sin que se convierta en hielo.

En la medida en que se ha avanzado en la demostración de estos estados en el laboratorio, los científicos todavía están tratando de determinar exactamente cómo se ven los líquidos superenfriados cuando se les priva de calor.

Está claro que en los puntos críticos, las atracciones polares que compiten entre las moléculas de agua se elevan por encima del zumbido termodinámico de las partículas que se mueven. Sin el espacio para moverse en una forma cristalina, las moléculas necesitan encontrar otras configuraciones cómodas.

Con tantos factores en juego, los investigadores suelen intentar simplificar lo que pueden y centrarse en las variables importantes. En este caso, mirar los ‘grumos’ de agua como si fueran partículas más grandes disueltas en el líquido ayuda a comprender mejor las transiciones de un arreglo a otro.

Los modelos de computadora basados ​​en esta perspectiva apuntaron a un cambio sutil entre el agua que se separa y una forma hecha de partículas que se asientan más juntas en una forma más densa. Curiosamente, la forma, o topología, de las interacciones moleculares en este paisaje acuático también se veía completamente diferente, con moléculas que se enredan en redes intrincadas a medida que se apiñan, o formas mucho más simples a medida que se separan.

“En este trabajo, proponemos, por primera vez, una visión de la transición de fase líquido-líquido basada en ideas de entrelazamiento de redes”, dice Francesco Sciortino, físico de materia condensada en la Sapienza Università di Roma.

“Estoy seguro de que este trabajo inspirará nuevos modelos teóricos basados ​​en conceptos topológicos”.

Este extraño espacio de redes de partículas entrelazadas está listo para ser explorado. Aunque no son del todo diferentes a las largas cadenas de moléculas unidas covalentemente, tales nudos son transitorios, intercambiando miembros a medida que cambia el entorno líquido.

Dadas sus interacciones enredadas, la naturaleza del agua líquida que se encuentra en entornos de alta presión y baja temperatura debería ser bastante diferente a todo lo que encontraríamos chapoteando en la superficie de la Tierra. Saber más sobre el comportamiento topológico no solo del agua en estas condiciones, sino también de otros líquidos, podría brindarnos información sobre la actividad de los materiales en entornos extremos o de difícil acceso, como las profundidades de planetas distantes.

“Sueña lo hermoso que sería si pudiéramos mirar dentro del líquido y observar el baile de las moléculas de agua, la forma en que parpadean y la forma en que intercambian socios, reestructurando la red de enlaces de hidrógeno”, dice Sciortino.

“La realización del modelo coloidal para el agua que proponemos puede hacer realidad este sueño”.

Esta investigación fue publicada en Nature Physics.

Fuente: Science Alert.

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