Todos conocemos el agua, ¿verdad? Son dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno unidos. La necesitamos para vivir, así que intentamos conservarla y mantenerla limpia. También la embotellamos, la aromatizamos y debatimos si es mejor el agua con gas o el agua mineral.
Pero eso es todo en la superficie, en realidad. Resulta que incluso nuestro conocimiento de la conocida molécula de agua puede ser complicado, y no nos referimos sólo a cuando cambia entre un estado líquido y un estado gaseoso o sólido. No, parece que el agua puede pasar de líquido a otro líquido en las circunstancias adecuadas.
Diablillo resbaladizo.
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Las profundidades del agua
Que las sustancias cambien a diferentes estados no es algo nuevo. Como explica New Scientist, «… todas las sustancias tienen un punto crítico a alta temperatura en el que convergen sus fases gaseosa y líquida, pero un puñado de materiales muestran un misterioso segundo punto crítico a bajas temperaturas».
Este punto de baja temperatura se encuentra en sustancias como el silicio líquido y el germanio. Cuando se enfrían a las temperaturas adecuadas, estas dos sustancias se convierten en líquidos de densidades diferentes. Sus respectivas composiciones atómicas siguen siendo las mismas, pero esos átomos pasan a tener configuraciones diferentes, y eso da lugar a nuevas propiedades.
Los informes de que algo así le ocurría al agua llamaron la atención de dos investigadores de la Universidad de Boston, Peter Poole y Gene Stanley, en 1992. Al parecer, la densidad del agua comenzaría a fluctuar más a bajas temperaturas, algo extraño ya que la densidad de una sustancia debería fluctuar menos a medida que se enfría.
El equipo de Poole y Stanley puso a prueba esta idea simulando el enfriamiento del agua más allá de su punto de congelación sin dejar de ser un líquido, un proceso llamado superenfriamiento. Estas simulaciones por ordenador confirmaron que las fluctuaciones de densidad se producían, siendo cada una de ellas una fase en sí misma, según New Scientist. Sin embargo, esta afirmación fue controvertida, ya que la explicación común para este extraño estado de superenfriamiento era un estado sólido desordenado que carecía de las características cristalinas del hielo.
Demostrarlo con agua real también sería difícil. Este punto crítico de rareza era de menos 49 grados Fahrenheit (menos 45 Celsius), e incluso el agua sobreenfriada podría convertirse espontáneamente en hielo en ese punto.
«El reto es enfriar el agua muy, muy, muy rápido», dijo Stanley a New Scientist. «Para estudiarlo se necesitan experimentadores inteligentes».
Rayos X del H2O
Uno de esos experimentadores inteligentes es Anders Nilsson, profesor de Física Química de la Universidad de Estocolmo (Suecia). Nilsson y un equipo de investigadores publicaron en 2017 dos estudios diferentes sobre el posible punto crítico del agua, ambos argumentando que el agua puede existir como dos líquidos diferentes.
El primer estudio, publicado en junio de 2017 en Proceedings of the National Academy of Science (US), confirmó las simulaciones de Poole y Stanley sobre el desplazamiento del agua entre densidades altas y bajas. Para determinarlo, los investigadores utilizaron rayos X en dos lugares diferentes para seguir los movimientos y las distancias entre las moléculas de H2O a medida que pasaban de un estado a otro, incluyendo el paso de un líquido viscoso a un líquido aún más viscoso y de menor densidad. Sin embargo, este estudio no determinó el punto en el que se produjo la transición de líquido a líquido.
El segundo estudio se publicó en Science en diciembre de ese año, y señaló una temperatura potencial de esta rareza de fase. Dado que el agua tiene la costumbre de formar cristales de hielo alrededor de cualquier impureza, los investigadores dejaron caer gotas ultrapuras de agua en una cámara de vacío y las enfriaron a -44 Celsius, la temperatura a la que empezaron a notar los cambios máximos en la densidad del líquido. Volvieron a utilizar los rayos X para seguir los cambios en el comportamiento del agua.
Los críticos de este último estudio que hablaron con New Scientist, aunque impresionados por las hazañas técnicas del equipo de Nilsson, se mostraron igualmente escépticos con los resultados, atribuyéndolos al extraño comportamiento del agua por debajo de los puntos de congelación, o a que otro punto crítico está en algún lugar cerca de esa temperatura.
Más difícil de congelar
Un estudio publicado en Science en marzo de 2018, realizado por otro equipo de investigadores, parece respaldar la investigación realizada por los equipos de Nilsson, aunque mediante un método diferente.
Estos investigadores controlaron el calor en una solución de agua y un producto químico especial llamado trifluoroacetato de hidrazinio. Esta sustancia química actuaba esencialmente como anticongelante y evitaba que el agua cristalizara en hielo. En este experimento, los investigadores ajustaron la temperatura del agua hasta que observaron un cambio brusco en la cantidad de calor que absorbía el agua, en torno a los 118 F bajo cero (83 C bajo cero). Como no podía congelarse, el agua intercambiaba densidades, de baja a alta y viceversa.
Una científica que no participó en el estudio, Federica Coppari, del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California, dijo a Gizmodo que el experimento proporciona «un argumento convincente de la existencia de la transición líquido-líquido en el agua pura», pero que sólo es una «prueba indirecta» y que se necesita más trabajo con otros experimentos.
Gotas de vida
A estas alturas del discurso científico, puede que la razón para entender las extrañas propiedades del agua no esté del todo clara ni sea aplicable de inmediato, pero hay buenas razones para llegar al fondo de la cuestión.
Por ejemplo, las salvajes fluctuaciones del agua podrían ser esenciales para nuestra propia existencia. Su capacidad para pasar de una fase líquida a otra podría haber impulsado el desarrollo de la vida en la Tierra, dijo Poole a New Scientist, y actualmente se está investigando cómo reaccionan las proteínas del agua en una serie de temperaturas y presiones diferentes.
El futurismo explicó otra razón más práctica para comprender las rarezas del agua, tras la publicación del estudio de Nilsson de junio de 2017. «Entender cómo se comporta el agua a diferentes temperaturas y presiones puede ayudar a los investigadores a desarrollar mejores procesos de purificación y desalinización.»
Así que, tanto si se trata de desvelar los secretos de la vida como de crear mejor agua potable, comprender el agua puede suponer una gran diferencia.