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miércoles, 16 de noviembre de 2016

Descubren un segundo estado del agua líquida

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Es uno de los compuestos más fundamentales en la Tierra, y representa aproximadamente el 60 por ciento del cuerpo humano y, sin embargo, el agua está resultando ser más extraña de lo que podríamos imaginar.



Los investigadores han estado investigando las propiedades físicas del agua, y encontraron que cuando el agua se calienta entre 40 y 60 ºC, parece una "temperatura cruzada", y empieza a cambiar entre dos estados diferentes de líquido.

Como compuesto químico el agua es vital para la vida en la Tierra, y hemos estado subestimando extraña que es. Nos hemos acostumbrado a ello, es difícil imaginar que las cosas sean más complejas que los tres estados básicos: sólido, líquido y gaseoso. (Bajo circunstancias muy raras, también puede formarse un estado parecido al plasma).

De todas formas, el agua es diferente a cualquier otra sustancia del planeta.

A excepción del Mercurio, el agua tiene la tensión superficial más alta de todos los líquidos. Es también una de las pocas sustancias conocidas cuyo estado sólido puede flotar sobre su estado líquido, y a diferencia de casi todas las demás sustancias conocidas, cuando se congela el agua se expande.

También tiene un extraño punto de ebullición. Mientras que los puntos de ebullición de otros hidruros, como el telururo de hidrógeno y el sulfuro de hidrógeno, disminuyen a medida que disminuye su tamaño molecular, el H2O tiene un punto de ebullición sorprendentemente grande para un peso molecular tan pequeño.

"Nadie realmente entiende el agua", señala Philip Ball en Nature. "Es vergonzoso admitirlo, pero aquello que cubre dos tercios de nuestro planeta sigue siendo un misterio, peor aún, cuanto más miramos, más se acumulan los problemas: las nuevas técnicas que investigan en profundidad la arquitectura molecular del agua líquida no vienen sino a añadir más enigmas."

Ahora los físicos han demostrado que en algún lugar entre las temperaturas de 40 y 60 ºC, el agua líquida puede 'cambiar' entre estados, exhibiendo un nuevo conjunto de propiedades en función del estado al que se mueve.

Para averiguar esto, un equipo internacional dirigido por la física Laura Maestro, en la Universidad de Oxford en el Reino Unido, examinó una serie de propiedades específicas del agua.

Observaron cosas como la conductividad térmica, el índice de refracción, la conductividad, la tensión superficial y la constante dieléctrica (la medida en que un campo eléctrico se puede propagar a través de una sustancia), y la respuesta a las fluctuaciones de temperatura entre 0 y 100 ºC.

Una vez que el agua alcanza 40 grados, las cosas empezaron a cambiar, y las propiedades siguieron cambiando hasta llegar a los 60 grados. Cada propiedad tenía una "temperatura cruzada" diferente en algún lugar dentro de este umbral. Los investigadores sugieren que esto es porque el agua líquida había cambiado a una fase diferente.

El equipo enumeró algunas de estas temperaturas cruzadas: aproximadamente 64 ºC para la conductividad térmica, 50 ºC para el índice de refracción, unos 53 ºC para la conductividad, y 57 ºC para la tensión superficial.

"Estos resultados confirman que en el rango de 0 a 100 grados, el agua líquida presenta una temperatura cruzada en muchas de sus propiedades alrededor de los 50 ºC", concluyen.

Entonces, ¿qué está pasando aquí? Todavía no está claro, pero que el agua pueda estar cambiando entre dos estados completamente diferentes de líquido a ciertas temperaturas podría estar relacionado con el por qué el H2O tiene unas propiedades tan inusuales en general.

Las moléculas de agua mantienen sólo conexiones de muy corta duración entre sí, y estos enlaces de hidrógeno son, realmente, mucho más débiles dentro de las moléculas que los enlaces que unen los átomos individuales de hidrógeno y oxígeno.

Por esta razón, los enlaces de hidrógeno que unen las moléculas de agua están constantemente rompiéndose y recomponiéndose; sin embargo, dentro de todo ese caos, las estructuras fijas y sus "reglas" persisten. Los físicos sospechan que esto es lo que da al agua sus inusuales propiedades, pero nadie está seguro completamente de cómo funciona.

"Todo el mundo está de acuerdo en que un aspecto de la estructura molecular del agua la distingue de la mayoría de los otros líquidos: los enlaces fugaces de hidrógeno", escribe Ball.

"Estos enlaces débiles que unen a las moléculas se rompen constantemente y se forman de nuevo por encima del punto de fusión del agua, pero aún así imponen un cierto grado de estructura en ese revoltijo molecular. Ahí es donde finaliza el consenso.”

Si bien, los resultados de Maestro y su equipo, necesitarán ser replicados por un equipo independiente antes de que podamos empezar a reescribir los libros de texto reflejando los cuatro (¿ó 3,5?) estados del agua que pudieran existir, dicen que su descubrimiento podría tener grandes implicaciones para nuestra comprensión de los sistemas nanológicos y biológicos.

"Por ejemplo, las propiedades ópticas de las nanopartículas metálicas (oro y plata) dispersas en el agua, utilizadas como nanosondas, y las propiedades de emisión de los puntos cuánticos, utilizados para la bioimagen de fluorescencia dirigida a los tumores, que muestran un comportamiento singular en este rango de temperatura.”

"A su vez, plantea la cuestión de si los cambios estructurales impulsados ​​por la temperatura en el agua afectan a las macromoléculas biológicas en soluciones acuosas, y concretamente en las proteínas, que son las unidades biológicas y funcionales vitales de las células vivas".

Esta investigación ha sido publicada en el International Journal of Nanotechnology.


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Ref. Science Alert.com, Bec Creww, 14 nov. 2016
“Physicists just discovered a second state of liquid water”
--Imagen: Felix Russell-Saw/Unspla

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