Investigadores Revelan El Origen De Las Propiedades Inusuales Del Agua

Los investigadores descubren el origen de las propiedades inusuales del agua

Ilustración que muestra las fluctuaciones entre regiones de dos estructuras locales diferentes (alta densidad como rojo y líquido de baja densidad como azul) de agua que dependen de la temperatura. Los máximos en la respuesta termodinámica y las funciones de correlación se observan en función de la temperatura, cuando el número de moléculas en las dos estructuras se iguala, lo que da como resultado un fuerte aumento de las propiedades anómalas del agua en el régimen profundamente sobreenfriado. Universidad de Estocolmo

Utilizando láseres de rayos X, los investigadores de la Universidad de Estocolmo han podido trazar cómo el agua fluctúa entre dos estados diferentes cuando se enfría. A -44 ° C, estas fluctuaciones alcanzan un máximo que apunta al hecho de que el agua puede existir como dos líquidos distintos. 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 encoge cuando se enfría, lo que aumenta la densidad. Por lo tanto, esperaríamos que el agua tuviera una alta densidad en el punto de congelación. Sin embargo, si miramos un vaso de agua helada, todo está al revés, ya que esperamos que el agua a 0 ° C rodeada de hielo quede en el fondo del vaso, pero claro, como sabemos, los cubitos de hielo flotan. Curiosamente para el estado líquido, el agua es más densa a 4 grados C y, por lo tanto, permanece en el fondo, ya sea en un vaso o en un océano.

Si enfría el agua por debajo de 4 grados, comienza a expandirse nuevamente. Si 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 más propiedades, como la compresibilidad y la capacidad calorífica, 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 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 a -44 ° C. Es esta capacidad de pasar de un estado líquido a otro lo que le da al agua sus propiedades inusuales y, dado que las fluctuaciones aumentan al enfriarse, también aumenta la extrañeza.

“Lo que fue especial fue que pudimos tomar 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 fortalecieron cuando el agua se enfría. Ahora hemos encontrado ese 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 el agua normal y pesada y más mejoradas para la más ligera. “Las diferencias entre los dos isótopos, H2O y D2O, que se dan 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 temperatura tan baja sin congelarse”, 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 asentarse en el modelo de que el agua tiene un punto crítico en el régimen sobreenfriado. La siguiente etapa es encontrar la ubicación de los críticos en términos de presión y temperatura. Un gran desafío en los próximos años “.

El estudio se realizó en cooperación con el Royal Institute of Technology de Estocolmo, PAL-XFEL en Corea y SACLA en Japón. Las personas de la Universidad de Estocolmo que contribuyeron al estudio incluyen a Kyung Hwan Kim, Alexander Späh, Harshad Pathak, Fivos Perakis, Katrin Amann-Winkel y Daniel Mariedahl de la Universidad de Estocolmo.

Publicación: Kyung Hwan Kim, et al., “Máximos en la respuesta termodinámica y funciones de correlación del agua profundamente sobreenfriada”, Science 22 de diciembre de 2017: Vol. 358, número 6370, págs. 1589-1593; DOI: 10.1126 / science.aap8269

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