Descubren que el agua fluctúa entre dos estados líquidos diferentes cuando se enfría a -44 grados Celsius

Utilizando láseres de rayos X, los investigadores de la Universidad de Estocolmo han podido trazar un mapa de cómo el agua fluctúa entre dos estados diferentes cuando se enfría a -44 grados Celsius. Estas fluctuaciones alcanzan un máximo que apunta al hecho de que el agua puede existir como dos líquidos distintos diferentes.

Los hallazgos se publican en la revista 'Science'. El agua, tanto común como necesaria para la vida en la tierra, se comporta de manera muy extraña en comparación con otras sustancias.

La forma en que la densidad del agua, el calor específico, la viscosidad y la compresibilidad responden a los cambios de presión y temperatura es completamente opuesta a otros líquidos que conocemos. Todos somos conscientes de que toda la materia se contrae cuando se enfría, lo que resulta en un aumento de la densidad.

Por lo tanto, esperamos que el agua tenga una alta densidad en el punto de congelación. Sin embargo, si miramos un vaso de agua helada, todo está boca abajo, ya que esperamos que el agua a 0 grados Celsius rodeada de hielo esté en el fondo del vaso, pero, por supuesto, como sabemos, los cubos de hielo flotan.

Curiosamente para el estado líquido, el agua es la más densa a 4 grados C, y por lo tanto permanece en la parte inferior ya sea en un vaso o en el océano. Si el agua se enfría por debajo de 4 grados, comienza a expandirse nuevamente.

Si se continúa enfriando el agua pura (donde la tasa de cristalización es baja) por debajo de 0, continúa expandiéndose; la expansión incluso se acelera cuando se enfría.

Muchas propiedades más, como la compresibilidad y la capacidad de calor, se vuelven cada vez más extrañas a medida que se enfría el agua. Ahora los investigadores de la Universidad de Estocolmo, con la ayuda de pulsos de rayos X ultracortos en los láseres de rayos X en Japón y Corea del Sur, han logrado determinar que el agua alcanza el pico de su extraño comportamiento a -44 ° C.

El agua es única, ya que puede existir en dos estados líquidos que tienen diferentes formas de unir las moléculas de agua. El agua fluctúa entre estos estados como si no pudiera decidirse y estas fluctuaciones alcanzan un máximo de -44 ° C.

Es esta capacidad de pasar de un estado líquido a otro que le da al agua sus propiedades inusuales y, dado que las fluctuaciones aumentan al enfriar, también aumenta la extrañeza.

"Lo que fue especial fue que pudimos hacer rayos X inimaginablemente rápido antes de que el hielo se congelara y pudimos observar cómo fluctuaba entre los dos estados", dice Anders Nilsson, profesor de Física Química en la Universidad de Estocolmo.

"Durante décadas ha habido especulaciones y diferentes teorías para explicar estas propiedades notables y por qué se hicieron más fuertes cuando el agua se vuelve más fría. Ahora hemos encontrado un máximo, lo que significa que también debería haber un punto crítico a presiones más altas".

Otro hallazgo notable del estudio es que las propiedades inusuales son diferentes entre agua normal y agua pesada y mejoradas para la más ligera. "Las diferencias entre los dos isótopos, H2O y D2O, dadas aquí muestran la importancia de los efectos cuánticos nucleares", dice Kyung Hwan Kim, postdoctorado en Física Química en la Universidad de Estocolmo.

"La posibilidad de hacer nuevos descubrimientos en un tema muy estudiado como el agua es totalmente fascinante y una gran inspiración para mis estudios posteriores", dice Alexander Späh, estudiante de doctorado en Física Química en la Universidad de Estocolmo.

"Fue un sueño hecho realidad poder medir el agua en condiciones de baja temperatura sin congelación", dice Harshad Pathak, postdoctorado en Física Química en la Universidad de Estocolmo.

"Se han hecho muchos intentos en todo el mundo para buscar este máximo". "Ha habido un intenso debate sobre el origen de las extrañas propiedades del agua durante más de un siglo desde los primeros trabajos de Wolfgang Röntgen", explica Anders Nilsson.

"Los investigadores que estudian la física del agua ahora pueden establecerse en el modelo de que el agua tiene un punto crítico en el régimen sobreenfriado. La siguiente etapa es encontrar la ubicación de la crítica en términos de presión y temperatura. Un gran desafío en los próximos años".