Los científicos han descubierto un nuevo estado de la materia para el agua

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 indicios de que el agua líquida podría presentarse en realidad en dos estados diferentes.

Escribiendo en un artículo experimental, publicado en el International Journal of Nanotechnology, los investigadores se sorprendieron al encontrar que una serie de propiedades físicas del agua cambian su comportamiento entre los 50℃ y los 60℃. Este indicio de un posible cambio a un segundo estado líquido podría suscitar un acalorado debate en la comunidad científica. Y, de confirmarse, podría tener implicaciones en diversos campos, como la nanotecnología y la biología.

Los estados de la materia, también llamados «fases», son un concepto clave en el estudio de los sistemas formados por átomos y moléculas. A grandes rasgos, un sistema formado por muchas moléculas puede disponerse en un determinado número de configuraciones en función de su energía total. A mayor temperatura (y, por tanto, mayor energía), las moléculas tienen más configuraciones posibles y, por 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 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 gas). Pero en el caso de moléculas más complejas, hay un mayor número de configuraciones posibles y esto da lugar a más fases. Una bella ilustración de esto es el rico comportamiento de los cristales líquidos, que están formados por moléculas orgánicas complejas y pueden fluir como líquidos, pero siguen teniendo una estructura cristalina similar a la de los sólidos.

Debido a que la fase de una sustancia está determinada por cómo están configuradas sus moléculas, muchas propiedades físicas de esa sustancia cambiarán bruscamente al pasar de un estado a otro. En el reciente artículo, 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, descubrieron un giro en propiedades como la tensión superficial del agua y su índice de refracción (una medida de cómo viaja la luz a través de ella) en torno a los 50℃.

Estructura especial

¿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 flanqueando al átomo de oxígeno en la parte superior. Los electrones de la molécula tienden a distribuirse de forma bastante asimétrica, haciendo que el lado del oxígeno esté cargado negativamente en relación con el lado del hidrógeno. Esta sencilla característica estructural da lugar a un tipo de interacción entre las moléculas de agua conocido como enlace de hidrógeno, en el que las cargas opuestas se atraen entre sí.

Esto confiere al agua propiedades que, en muchos casos, rompen las tendencias observadas en otros líquidos simples. Por ejemplo, a diferencia de la mayoría de las demás sustancias, una masa fija de agua ocupa más espacio como sólido (hielo) que como (líquido) debido a la forma en que sus 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, más simples.

El agua es bastante simple, pero no demasiado. Esto significa que una posibilidad para explicar la aparente fase extra del agua es que se comporte un poco como un cristal líquido. Los enlaces de hidrógeno entre las moléculas mantienen cierto orden a bajas temperaturas, pero eventualmente podrían adoptar una segunda fase líquida menos ordenada a temperaturas más altas. Esto podría explicar las torceduras observadas por los investigadores en sus datos.

De confirmarse, los hallazgos de los autores podrían tener muchas aplicaciones. Por ejemplo, si los cambios en el entorno (como la temperatura) provocan cambios en las propiedades físicas de una sustancia, entonces esto puede utilizarse potencialmente para aplicaciones de detección. Y lo que es más importante, los sistemas biológicos están formados principalmente por agua. La forma en que las moléculas biológicas (como las proteínas) interactúan entre sí depende probablemente de la manera específica en que las moléculas de agua se organizan para formar una fase líquida. Entender cómo se organizan las moléculas de agua 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 los teóricos y experimentadores, y un hermoso ejemplo de cómo incluso la sustancia más familiar todavía tiene secretos escondidos en su interior.

Este post apareció originalmente en The Conversation. Sigue a @US_conversation en Twitter.