Descubren que el agua puede existir a la vez como dos líquidos diferentes

Qué causa estas anomalías lleva siendo objeto de estudio durante décadas. Ahora, un equipo internacional ha demostrado que el agua puede existir en dos estados líquidos diferentes , con distintas densidades y que no se mezclan entre sí. Un hallazgo que podría explicar muchas de las raras características del agua.

«La posibilidad de que el agua pudiera existir en dos estados líquidos diferentes se propuso hace aproximadamente 30 años, en base a los resultados obtenidos de simulaciones por ordenador», explica Nicolas Giovambattista , responsable del departamento de Física del Brooklyn College y uno de los autores del estudio. «Esta hipótesis contradictoria ha sido una de las preguntas más importantes en la física y química del agua , y un escenario polémico desde sus inicios. Los experimentos que pueden acceder a los dos estados líquidos en el agua han sido muy complicados debido a la formación de hielo aparentemente inevitable en las condiciones en las que deberían existir los dos líquidos».

El agua líquida a temperatura ambiente se transforma en hielo a temperaturas en torno a los cero grados, tal y como observamos con normalidad. Sin embargo, también es habitual que ese agua contenga impurezas o que esté en contacto con otro material . Pero el agua pura puede mantenerse, en determinadas condiciones, en estado líquido a muy bajas temperaturas. El ejemplo está sobre nuestras cabezas: se ha observado agua en estado líquido en las nubes a -40 ºC ; o se han llevado a cabo simulaciones que han demostrado que, a -54 ºC y en condiciones de baja presión , el agua líquida conduce el calor mejor que el agua congelada. El problema está en que reproducir esas condiciones es muy complicado y, además, el estado líquido del agua apenas se puede mantener un pestañeo.

«Son experimentos como de ciencia ficción», afirma Giovambattista, quien trabajó junto a Anders Nilsson , profesor de química física en la Universidad de Estocolmo, para idear modelos informáticos y un enorme y complejo experimento científico que probasen su teoría de que el agua aún más fría, a -63 grados Celsius , existe en dos estados líquidos diferentes: un líquido de menor densidad y otro de mayor densidad, con una diferencia del 20%. Los resultados implican que, en las condiciones apropiadas, el agua debería existir como dos líquidos inmiscibles, «separados por una fina capa como la que existe cuando juntamos el aceite y el agua », explican.

Pero, ¿cómo pudieron observar los investigadores esta particularidad del agua líquida si, en teoría, esta debería estar congelada? «El truco es que la cristalización lleva tiempo. En nuestro trabajo explicamos que el hielo tardó en formarse aproximadamente de 1 a 10 microsegundos en las muestras estudiadas (a -63 grados). Los dos líquidos se observan simultáneamente justo antes de que ocurra la cristalización», explica Giovambattista a ABC. «Este artículo demuestra que el agua líquida se puede estudiar de forma experimental -es decir, durante más de 1 microsegundo- a bajas temperaturas y bajas presiones antes de que se forme el hielo, algo que era impensable hace solo 7 o 10 años », remarca.

En concreto, los experimentos se realizaron con « hielo amorfo », un material sólido parecido al hielo normal pero cuyas moléculas de agua están dispuestas de forma desordenada -a diferencia del hielo usual, en el que se forma una red organizada-. Primero, el hielo amorfo, que está a una temperatura de -158 ºC en una cámara vacía, se calienta con un pulso láser infrarrojo durante fracciones de segundo para llevar la muestra a -63 ºC y elevar la presión. Así es como el hielo amorfo se convierte en «un líquido de alta densidad» que, después, se expande, revelando un segundo líquido de menor densidad que se revela gracias a una «radiografía» de rayos X.

«Los patrones de dispersión de rayos X proporcionan información de la composición de la muestra (un líquido frente a dos líquidos) a medida que la muestra se expande. Los experimentos y simulaciones por computadora muestran que antes de que comience la expansión, la muestra es un «líquido de alta densidad» y que, durante la expansión, aparece un segundo estado líquido (de menor densidad), que coexiste con el original. En otras palabras, los dos estados líquidos del agua se observan al mismo tiempo, en la misma muestra », explica Giovambattista.

Y todo esto ocurre en experimentos que duran apenas de 10 a 100 microsegundos. «Por eso son casi increíbles», afirma el investigador. De hecho, para llevarlos a cabo se necesitó de un equipo internacional de 21 científicos de Suecia, Corea, Estados Unidos, Alemania y Canadá . «Se prepararon muestras de agua ultrapura congelada en un portamuestras de diseño personalizado en Suecia y luego se enviaron en un recipiente criogénico (aproximadamente T = 80 K) a Corea del Sur. Allí, se utilizó uno de los láseres de rayos X más potentes del mundo para lograr lo que antes era imposible... la observación de dos líquidos en el agua antes de que intervenga el hielo».

El agua es una de las sustancias más importantes de la Tierra, el sustento de la vida tal como la conocemos. Es por ello que su comportamiento juega un papel fundamental en diferentes campos, incluyendo la bioquímica , el clima , la criopreservación , la criobiología , la ciencia de los materiales y en muchos campos industriales en procesos en los que el agua actúa como disolvente, producto, reactivo o impureza. Conocer por qué se producen estas anomalías, como la de los dos estados líquidos, afecta a numerosas aplicaciones científicas y de ingeniería.

«Pero continúa abierta la pregunta de cómo la presencia de dos líquidos puede afectar al comportamiento de las soluciones acuosas en general. Y, en particular, cómo los dos líquidos pueden afectar las biomoléculas en ambientes acuosos -subraya Giovambattista-. Esto motiva más estudios en la búsqueda de posibles aplicaciones». Porque algo tan cotidiano como el agua aún sigue guardando muchos misterios.