Los científicos de la Universidad de Tokio utilizan un modelo de dos estados basado en la formación de estructuras tetraédricas para explicar las propiedades anómalas del agua y la sorprendente transición líquido-líquido del agua. Crédito: Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio
Investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio examinaron datos experimentales para probar la posibilidad de que el agua sobreenfriada tenga una transición de fase líquida a líquida entre formas desordenadas y estructuradas tetraédricamente. Encontraron evidencia de un punto crítico basado en la formación cooperativa de tetraedros y muestran su papel menor en las anomalías del agua. Este trabajo muestra que las cualidades especiales del agua, que son esenciales para la vida, se originan predominantemente en la característica de dos estados.
El agua líquida es indispensable para la vida tal como la conocemos, sin embargo, muchas de sus propiedades no se ajustan a la forma en que se comportan otros fluidos. Algunas de estas anomalías, como la densidad máxima del agua a 4 ° C y su gran capacidad calorífica, tienen importantes implicaciones para los organismos vivos. El origen de estas características ha suscitado intensos debates en la comunidad científica desde la época de Röntgen.
Ahora, los investigadores de la Universidad de Tokio han utilizado un modelo de dos estados que postula la coexistencia dinámica de dos tipos de estructuras moleculares en agua líquida. Estas son la estructura normal-líquida desordenada familiar y una estructura tetraédrica localmente favorecida. Como ocurre con muchas otras transiciones de fase, puede haber un “punto crítico” en el que la correlación entre los tetraedros adopte una forma de ley de potencias, lo que significa que ya no habrá ninguna escala de longitud “típica”.
Usando simulaciones por computadora de moléculas de agua, junto con un análisis integral de datos experimentales estructurales, termodinámicos y dinámicos, incluidas las mediciones de dispersión de rayos X, densidad, compresibilidad y viscosidad, los investigadores pudieron determinar dónde debería estar un punto crítico, si existiera.
“Si la formación de estructuras tetraédricas en agua líquida es cooperativa en estas condiciones, entonces es posible una transición de fase líquido-líquido con un punto crítico”, dice el autor principal Rui Shi.
El equipo demostró que esto ocurre alrededor de una temperatura de 90 ° C y una presión de alrededor de 1.700 atmósferas. Los experimentos en este rango son extremadamente difíciles: debido a que el agua está muy por debajo de su congelación normal, se pueden formar cristales de hielo rápidamente. Sin embargo, las muestras pueden permanecer líquidas en un estado metaestable de “superenfriamiento” a estas presiones muy altas.
“Vimos evidencia de que el punto crítico es real, pero su efecto es casi insignificante en la región de agua líquida accesible experimentalmente porque está demasiado lejos del punto crítico. Esto significa que las anomalías del agua provienen de la característica de dos estados y no de la criticidad ”, dice el autor principal Hajime Tanaka. Los científicos anticipan que este proyecto conducirá a la convergencia del largo debate sobre el origen de las anomalías del agua y más investigaciones experimentales para acceder al segundo punto crítico del agua.
Referencia: “Las anomalías y la criticidad del agua líquida” 12 de octubre de 2020, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073 / pnas.2008426117
