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Existen dos estados líquidos distintos del agua, ambos hechos de moléculas de H2O


Utilizando láseres de rayos X, los investigadores de la Universidad de Estocolmo han podido seguir la transformación entre dos estados líquidos distintos del agua, ambos compuestos por moléculas de H2O. Alrededor de -63 grados centígrados, los dos líquidos existen a diferentes regímenes de presión con una diferencia de densidad del 20%. Variando rápidamente la presión antes de que la muestra pudiera congelarse, fue posible observar un líquido cambiando a otro en tiempo real. Sus hallazgos se publican en la revista Ciencias.

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 las propiedades del agua como la densidad, el calor específico, la viscosidad y la compresibilidad responden a los cambios de presión y temperatura es completamente opuesta a otros líquidos que conocemos. En consecuencia, el agua a menudo se denomina “anómala”. Si el agua se hubiera comportado como un “líquido normal”, no existiríamos, ya que la vida marina no podría haberse desarrollado. Sin embargo, sigue siendo una pregunta abierta: ¿qué causa estas anomalías?

Ha existido una serie de explicaciones a las extrañas propiedades del agua y una de ellas propone que el agua tiene la capacidad de existir como dos líquidos diferentes a diferentes presiones y a bajas temperaturas. Si pudiéramos mantener los dos líquidos en un vaso, se separarían con una interfaz clara en el medio, como para el agua y el aceite (ver figura). El agua ordinaria en nuestras condiciones ambientales es solo un líquido y no se vería ninguna interfaz en un vaso, pero a nivel molecular, fluctúa creando pequeñas regiones locales de densidad similar a la de los dos líquidos, lo que provoca el extraño comportamiento del agua. El desafío ha sido que ningún experimento ha sido posible a las temperaturas en las que los dos líquidos coexistirían, ya que el hielo se formaría casi instantáneamente. Hasta ahora, solo ha sido posible investigar el agua en estas condiciones utilizando diferentes tipos de simulaciones por computadora, lo que ha llevado a muchos resultados contradictorios según el modelo utilizado.

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“Lo que fue especial fue que pudimos tomar rayos X inimaginablemente rápido, antes de que el agua se congelara, y pudimos observar cómo un líquido se transformaba en otro”, dice Anders Nilsson, profesor de física química en la Universidad de Estocolmo. “Durante décadas, ha habido especulaciones y diferentes teorías para explicar estas propiedades anómalas y por qué se vuelven más fuertes cuando el agua se enfría. Ahora hemos descubierto que los dos estados líquidos son reales y pueden explicar la rareza del agua “.

“He estudiado varias formas de hielos desordenados durante mucho tiempo con el objetivo de determinar si pueden considerarse un estado vidrioso que representa un líquido congelado”, dice Katrin Amann-Winkel, investigadora principal de física química en la Universidad de Estocolmo. “Es un sueño hecho realidad ver que de hecho representan líquidos reales y vemos la transformación entre ellos”.

“Trabajamos muy duro durante varios años para realizar mediciones de agua en condiciones de temperatura tan baja sin congelar y es muy gratificante ver el resultado”, dice Harshad Pathak, investigador de física química en la Universidad de Estocolmo. “Se han hecho muchos intentos en todo el mundo para buscar los dos líquidos poniendo agua en pequeños compartimentos o mezclándola con otros compuestos, pero aquí podríamos seguirlo como agua pura”.

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“Me pregunto si los dos estados líquidos como fluctuaciones podrían ser un ingrediente importante para los procesos biológicos en las células vivas”, dice Fivos Perakis, profesor asistente de física química en la Universidad de Estocolmo. “El nuevo resultado puede abrir muchas nuevas direcciones de investigación también sobre el agua en las ciencias biológicas”.

“Quizás una de las formas líquidas es más prominente para el agua en los poros pequeños dentro de las membranas que se usan para desalinizar el agua”, dice Marjorie Ladd Parada, Postdoctorado en la Universidad de Estocolmo. “Creo que el acceso al agua potable será uno de los mayores desafíos con el cambio climático”.

“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 puede existir como dos líquidos en el régimen sobreenfriado. La siguiente etapa es encontrar si hay un punto crítico cuando los dos líquidos se cruzan para convertirse en un solo líquido, a medida que cambian la presión y la temperatura. Un gran desafío para los próximos años “.

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Para obtener más información sobre este descubrimiento, lea Los investigadores demuestran que el agua tiene múltiples estados líquidos con propiedades notablemente diferentes.

Referencia: “Observación experimental de la transición líquido-líquido en agua sobreenfriada a granel bajo presión” por Kyung Hwan Kim, Katrin Amann-Winkel, Nicolas Giovambattista, Alexander Späh, Fivos Perakis, Harshad Pathak, Marjorie Ladd Parada, Cheolhee Yang, Daniel Mariedahl, Tobias Eklund, Thomas. J. Lane, Seonju You, Sangmin Jeong, Matthew Weston, Jae Hyuk Lee, Intae Eom, Minseok Kim, Jaeku Park, Sae Hwan Chun, Peter H. Poole y Anders Nilsson, 20 de noviembre de 2020, Ciencias.
DOI: 10.1126 / science.abb9385

El estudio se realizó en cooperación con la Universidad POSTECH en Corea, PAL-XFEL en Corea, el laboratorio nacional de aceleración SLAC en California, el Brooklyn College of the City University of New York en EE. UU. Y la St. Francis Xavier University en Canadá. Otras personas que contribuyeron al estudio incluyen a miembros anteriores del grupo de Física Química de la Universidad de Estocolmo: Kyung Hwan Kim, Alexander Späh, Daniel Mariedahl, Tobias Eklund y Matthew Weston.

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There are two different states of liquid water, both made up of H2O molecules