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Periquito sobre un vaso de agua con hielo
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A bajas temperaturas el agua puede, simultáneamente, adoptar dos estados diferentes

El extraño caso de la doble personalidad del agua

Al verla así, tan clara, tan transparente y sencilla, nadie diría que el agua padece un acusado caso de doble personalidad. Además es una doble personalidad bastante contradictoria, porque le da justo por hacer lo contrario de lo que hacen los elementos normales en sus mismas circunstancias. Por ejemplo, si la inmensa mayoría de los líquidos que cristalizan en sólidos densos se hunden, el hielo no. El hielo flota. Sin embargo, no han sido los psicólogos los que han decidido hacerse cargo de esta «patología», sino los ingenieros químicos.

El trabajo ha corrido a cargo del laboratorio de Pablo Debenedetti, catedrático de Ingeniería y Ciencia Aplicada de la Universidad de Princeton y profesor de ingeniería química y biológica en la misma. Debenedetti explica que, en sus investigaciones han descubierto, gracias al uso de un modelo computacional, que a temperaturas muy bajas, o por encima de ciertas presiones, el agua tiene comportamientos divergentes, como si se tratara de dos líquidos diferentes en lugar de uno solo, que se muestran con distintas densidades.

Lo más curioso es que ambas «personalidades» pueden coexistir al mismo tiempo, como el aceite y el vinagre en una ensalada. Jeremy Palmer, uno de los investigadores del laboratorio de Debenedetti, explica que es como si, en un momento determinado, unas moléculas quisieran entrar en un estado y las otras moléculas en otro. Este descubrimiento, aunque pueda parecer simple, puede tener importantes repercusiones en otros desarrollos. Si aproximadamente un 75% de la superficie del planeta es agua, y otro tanto ocurre con la composición de nuestro cuerpo, conocer más en profundidad cómo se comporta el agua en determinadas circunstancias puede ser crucial.

Sin ir más lejos, puede permitir conocer mejor qué pasará con el agua en forma de nube que se acumula en las capas altas de la atmósfera a muy bajas temperaturas. En esas circunstancias puede convivir agua líquida a temperaturas por debajo del punto de congelación justo antes de la formación del granizo o de la nieve. Un mayor conocimiento de este comportamiento ayudará sin duda a la proyección de modelos de predicción meteorológica mucho más precisos y a conocer las circunstancias climáticas actuales. Pero también explicaría algunos de los extraños comportamientos que puede tener el agua como que el hielo flote, la alta capacidad de absorber calor que tiene y el que sea más compresible cuanto más fría se encuentre.

A bajas temperaturas, la mayoría de las moléculas comienzan a ralentizar sus movimientos, volviéndose más densos y organizándose en un sólido ordenado que se hunde cuando está sobre un líquido. Como sabemos, el hielo no hace eso. La razón es que conforme sus moléculas se enfrían, se empujan las unas a las otras, provocando la aparición de zonas de baja densidad enmedio de otras de alta densidad. Si la temperatura sigue bajando, esas zonas de baja densidad se expanden, y llegan a convertirse en mayoritarias. Una inusual cualidad que hace que la forma sólida del agua sea menos densa que la líquida.

Los trabajos realizados por el equipo de Dedenedetti sugiere que ambas zonas, la de mayor y la de menor densidad, no serían otra cosa que la coexistencia de esos dos estados del agua a bajas temperaturas y altas presiones. «La existencia de estas dos formas podría proporcionar una teoría que unifique el comportamiento del agua a temperaturas que van desde la que experimentamos en la vida cotidiana hasta el momento superenfriado«, explica Palmer.

¿Qué pasaría si…?

Observar las cosas directamente a veces es complicado. Y mucho más si lo que hay que observar requiere condiciones difíciles de reproducir en laboratorio. Por esta razón son más lo que emplean modelos informáticos de simulación para recrear determinadas circunstancias y observar, virtualmente, qué pasaría si se alterasen algunas de esas circunstancias. El equipo de Princeton empleó la simulación para conocer mejor el comportamiento de las dos moléculas de hidrógeno en conjunción con una de oxígeno sometidas a temperaturas por debajo del nivel de congelación.

Cuando la temperatura bajó hasta los -45º C y la presión atmosférica subió 2.400 veces por encima de la normal, las moléculas virtuales se separaban en dos líquidos de diferente densidad. Incluso el patrón de moléculas de ambos líquidos era diferente. Las moléculas de líquido de baja densidad se ordenan de forma tetraédrica, en forma de anillos sobre los enlaces de hidrógeno. Sin embargo, los de alta densidad tenían, en el anillo, una molécula que trataba de introducirse dentro del patrón.

Generalmente, al hablar de los estados de la materia, se mencionan fundamentalmente los de sólido, líquido y gaseoso, añadiendo un cuarto que es el plasma, que pasan por sus fases de cambio de estado (evaporación, licuefacción, fusión, ebullición y sublimación). Sin embargo, en 1992, investigadores de la Universidad de Boston, con Eugene Stanley a la cabeza, ya avanzaron la posibilidad de una fase líquido-líquido, esto es, que al congelarse el agua se transformaría en otro tipo de líquido diferente del habitual. Las investigaciones de Princeton vienen a apoyar los trabajos de Stanley.

Fuente: Universidad de Princeton 

Imagen: Wikimedia Commons. Autor: Rob Speed

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