Las primeras mediciones proporcionan evidencia de que existe agua líquida extremadamente fría en dos estructuras distintas que coexisten y varían en proporción dependiendo de la temperatura.
El agua sobreenfriada es realmente dos líquidos en uno. Esa es la conclusión a la que llegó un equipo de investigación del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía de los Estados Unidos después de realizar las primeras mediciones de agua líquida a temperaturas mucho más frías que su punto de congelación típico.
El hallazgo, publicado recientemente en la revista Ciencias, proporciona datos experimentales largamente buscados para explicar algunos de los comportamientos extraños que exhibe el agua a temperaturas extremadamente frías que se encuentran en el espacio exterior y en los confines de la propia atmósfera de la Tierra. Hasta ahora, el agua líquida a las temperaturas más extremas posibles ha sido objeto de teorías y conjeturas en competencia. Algunos científicos han preguntado si es posible que el agua exista realmente como un líquido a temperaturas tan bajas como -117,7 F (190 K) o si el comportamiento extraño es solo el agua reorganizándose en su inevitable camino hacia un sólido.
El argumento es importante porque comprender el agua, que cubre el 71 por ciento de la superficie de la Tierra, es fundamental para comprender cómo regula nuestro medio ambiente, nuestros cuerpos y la vida misma.
“Demostramos que el agua líquida a temperaturas extremadamente frías no solo es relativamente estable, existe en dos motivos estructurales”, dijo Greg Kimmel, físico químico de PNNL. “Los hallazgos explican una controversia de larga data sobre si el agua profundamente sobreenfriada siempre cristaliza antes de que pueda equilibrarse. La respuesta es no.”
Agua sobreenfriada: historia de dos líquidos
Pensarías que ahora entendemos el agua. Es una de las sustancias más abundantes y estudiadas del planeta. Pero a pesar de su aparente simplicidad: dos átomos de hidrógeno y uno átomo de oxígeno por molécula — H2O es engañosamente complicado.
Es sorprendentemente difícil que el agua se congele justo por debajo de su punto de fusión: el agua resiste la congelación a menos que tenga algo para comenzar, como polvo o algún otro sólido al que adherirse. En agua pura, se necesita un empujón enérgico para empujar las moléculas en la disposición especial necesaria para congelar. Y se expande cuando se congela, lo que es un comportamiento extraño en comparación con otros líquidos. Pero esa rareza es lo que sostiene la vida en la Tierra. Si los cubitos de hielo se hundieran o el vapor de agua en la atmósfera no retuviera el calor, la vida en la Tierra tal como la conocemos no existiría.
El extraño comportamiento del agua ha mantenido ocupados a los físicos químicos Bruce Kay y Greg Kimmel durante más de 25 años. Ahora, ellos y los científicos posdoctorales Loni Kringle y Wyatt Thornley han logrado un hito que esperan que amplíe nuestra comprensión de las contorsiones que pueden producir las moléculas de agua líquida.
Se han propuesto varios modelos para explicar las propiedades inusuales del agua. Los nuevos datos obtenidos usando una especie de “instantánea” en stop-motion de agua sobreenfriada muestran que puede condensarse en una estructura similar a un líquido de alta densidad. Esta forma de mayor densidad coexiste con una estructura de menor densidad que está más en línea con la unión típica esperada para el agua. La proporción de líquido de alta densidad disminuye rápidamente a medida que la temperatura pasa de -18,7 F (245 K) a -117,7 F (190 K), lo que respalda las predicciones de modelos de “mezcla” para agua sobreenfriada.
Kringle y Thornley usaron espectroscopía infrarroja para espiar las moléculas de agua atrapadas en una especie de stop motion cuando una fina película de hielo fue golpeada con un láser, creando un agua líquida superenfriada durante unos pocos nanosegundos fugaces.
“Una observación clave es que todos los cambios estructurales fueron reversibles y reproducibles”, dijo Kringle, quien realizó muchos de los experimentos.
Graupel se forma cuando un copo de nieve se encuentra con agua sobreenfriada en la atmósfera exterior.
Graupel: ¡es agua sobreenfriada!
Esta investigación puede ayudar a explicar el graupel, los gránulos esponjosos que a veces caen durante las tormentas de clima frío. Graupel se forma cuando un copo de nieve interactúa con agua líquida sobreenfriada en la atmósfera superior.
“El agua líquida en la atmósfera superior se enfría profundamente”, dice Kay, un compañero de laboratorio de PNNL y experto en la física del agua. “Cuando se encuentra con un copo de nieve, se congela rápidamente y luego, en las condiciones adecuadas, cae a la Tierra. Realmente es la única vez que la mayoría de la gente experimentará los efectos del agua sobreenfriada “.
Estos estudios también pueden ayudar a comprender cómo puede existir el agua líquida en planetas muy fríos:Júpiter, Saturno, Uranoy Neptuno—En nuestro sistema solar y más allá. El vapor de agua sobreenfriado también crea las hermosas colas que se arrastran detrás de los cometas.
El agua sobreenfriada crea las hermosas colas que se arrastran detrás de los cometas. Nuevos conocimientos sobre superenfriamiento
el agua puede ayudar a explicar cómo el agua puede ser líquida en el espacio exterior y nuestra propia atmósfera superior helada.
Gimnasia de molécula de agua
Aquí en la Tierra, una mejor comprensión de las contorsiones que puede realizar el agua cuando se coloca en una situación difícil, como una sola molécula de agua encajada en una proteína, podría ayudar a los científicos a diseñar nuevos medicamentos.
“No hay mucho espacio para las moléculas de agua que rodean las proteínas individuales”, dijo Kringle. “Esta investigación podría arrojar luz sobre cómo se comporta el agua líquida en entornos muy compactos”.
Thornley señaló que “en estudios futuros, podemos utilizar esta nueva técnica para seguir los reordenamientos moleculares subyacentes a una amplia gama de reacciones químicas”.
Aún queda mucho por aprender, y estas mediciones ayudarán a abrir el camino hacia una mejor comprensión del líquido vivificante más abundante de la Tierra.
Referencia: “Transformaciones estructurales reversibles en agua líquida sobreenfriada de 135 a 245 K” por Loni Kringle, Wyatt A. Thornley, Bruce D. Kay y Greg A. Kimmel, 18 de septiembre de 2020, Ciencias.
DOI: 10.1126 / science.abb7542
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Las mediciones de espectroscopía infrarroja y láser pulsado se realizaron en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en PNNL.
