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El agua es una sustancia curiosa. Mientras que la mayoría de los materiales se encogen y se vuelven más densos a baja temperatura, el agua alcanza su densidad máxima a 4 °C y se vuelve a expandir a medida que se aproxima a su punto de congelación.
Si no fuera así, el hielo no flotaría sobre el agua y el océano se congelaría de abajo hacia arriba, lo cual imposibilitaría la vida en la Tierra.
El motivo por el que el agua actúa de esta manera es una cuestión fundamental de la química, estudiada desde hace tiempo y extensamente debatida. Sin embargo, a pesar de las diversas hipótesis, apenas se han realizado pruebas experimentales concluyentes.
A baja temperatura y alta presión, esta rareza del agua resulta aún más marcada. El proyecto financiado con fondos europeos WATER, que contó con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación, ha revelado por primera vez el comportamiento molecular del agua justo antes de su congelación.
El equipo fue el primero en utilizar láseres de rayos X para este tipo de experimentos. «La mayor parte de las personas pensaban que era muy complicado realizar un experimento para mostrar la transición líquido-líquido. Pero con los rayos X de nuestros láseres a una velocidad de pulsos del rango de los nanosegundos a los milisegundos, lo logramos», comenta el coordinador del proyecto, Anders Nilsson.
El punto crítico de la transición líquido-líquido
La transición líquido-líquido describe el punto en el que un líquido se transforma en otro, aunque conservando los mismos componentes químicos, mediante un proceso llamado transición de fase. El equipo de WATER quería investigar la transición líquido-líquido del agua en la «tierra de nadie» de la baja temperatura y la alta presión.
El equipo ya había demostrado que, a la presión atmosférica, el agua solo presenta una fase. Pero descubrió que, cuando la temperatura se reduce y la presión aumenta, existen dos fases. Lo que les llamó especialmente la atención fue la posibilidad de que existiese un punto crítico que marcase la frontera entre esas dos regiones.
«En ese punto crítico, el agua se encuentra entre la región de una fase y de dos, y se comporta como si no fuese capaz de decidir cuál de los dos líquidos quiere ser: uno de alta densidad o uno de baja densidad. Por tanto, se metamorfosea constantemente entre los dos», añade Nilsson.
Láseres de rayos X superrápidos
El desafío a la hora de caracterizar esta transición líquido-líquido es que, cuando el agua se superenfría y alcanza el rango de -35 a -70 °C, el hielo se forma tan rápido que las herramientas experimentales estándar no son suficientemente rápidas para captar las fluctuaciones en el límite del hielo. Para compensar esta complicación, el equipo modificó la presión de alta a baja a una velocidad superior a la del proceso de congelación, lo que les permitió observar la transición líquido-líquido impulsada por la presión.
Para capar el fenómeno, el equipo utilizó un láser de rayos X ultrarrápido en el Laboratorio de Aceleración de Pohang (Corea del Sur). Es capaz de administrar pulsos de rayos X a muestras a intervalos que miden milbillonésimas de segundo.
«Aunque los rayos X se desplazan a la velocidad de la luz, si la radiación electromagnética es especialmente intensa, puede destruir muestras antes de registrar ningún dato. Los rayos X de nuestro láser son tan rápidos que captan la señal que queremos antes de que la muestra se descomponga», explica Nilsson.
Las mediciones obtenidas en los experimentos han conducido a la creación de un gráfico que rastrea la relación entre temperatura y presión, e incluye la denominada línea de Widom que marca la zona liminar en la que el agua fluctúa entre comportarse como un líquido y como dos.
«Sospecho que el punto crítico no se encuentra a presiones tan elevadas como se creía, de unos dos mil bares, sino más bien a entre trescientos y quinientos bares —comenta Nilsson—. Esto podría contribuir a explicar fenómenos planetarios como la evolución de la vida marina. El agua del fondo del océano suele alcanzar su máxima densidad cuando está a 4 °C, gracias al punto crítico. Si se enfría más, pierde densidad y sube, lo que provoca una circulación que transfiere calor y nutrientes esenciales para la vida».
Sin agua no hay vida
Aunque se trata de un proyecto de ciencia fundamental, los resultados de WATER podrían presentar una serie de implicaciones prácticas. Tal como señala Nilsson: «Empezamos centrándonos en el agua en masa, pero ahora queremos comprender cómo cambia en poros, interfaces y biomoléculas; sería beneficioso para una serie de sectores y aplicaciones».
Dado que un aumento de las temperaturas globales probablemente causará más sequías en Europa meridional, entender mejor el comportamiento del agua dentro de los poros de las membranas de filtrado para desalinización podría contribuir a aumentar la disponibilidad de agua salubre.
Además, muchas tecnologías energéticas, como las pilas de combustible, la disociación del agua para generar hidrógeno y la fotosíntesis artificial, se dan en las interfaces entre el agua y los sólidos, donde todavía se desconoce la influencia de las fluctuaciones del agua.
Todavía debe explorarse, en el ámbito de la salud, la función que desempeña el agua dentro de las células, donde puede resultar esencial para los procesos de la vida. «Los datos obtenidos podrían servir de base para investigaciones sobre cómo el comportamiento cambiante del agua puede permitir la comunicación entre biomoléculas. Actualmente no sabemos si eso es así», concluye Nilsson.
Ahora el equipo se esfuerza por superar los retrasos provocados por la pandemia de COVID-19 para observar directamente el punto crítico en sí.