Madrid (EUROPA PRESS)- Un nuevo estudio proporciona fuerte respaldo a la teoría controvertida de que, a temperaturas muy frías, el agua puede existir en dos formas líquidas distintas, una menos densa y más estructurada que la otra.

Investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad Sapienza de Roma realizaron simulaciones por computadora de moléculas de agua para descubrir el punto crítico en el que una fase líquida se transforma en la otra. El estudio fue publicado esta semana en la revista Science.

"La presencia del punto crítico proporciona una explicación muy simple de las rarezas del agua", dijo en un comunicado el decano de investigación de Princeton, el argentino Pablo Debenedetti, profesor de ingeniería y ciencias aplicadas. "El hallazgo del punto crítico es equivalente a encontrar una explicación buena y simple de las muchas cosas que hacen que el agua sea extraña, especialmente a bajas temperaturas".

Esas "rarezas" incluyen que, a medida que se enfría, el agua se expande en lugar de contraerse, resultando en su versión congelada menos densa que en la líquida. El agua también se vuelve más exprimible (o comprimible) a temperaturas más bajas. Además, hay al menos 17 formas en que sus moléculas pueden organizarse cuando se congelan.

La detección del punto crítico

Un punto crítico es un valor único de temperatura y presión en el que dos fases de la materia se vuelven indistinguibles, y ocurre justo antes de que la materia se transforme de una fase a otra. Las rarezas del agua se explican fácilmente por la presencia de un punto crítico, de acuerdo a Debenedetti. En dicho punto, la compresibilidad y otras medidas termodinámicas de cómo se comportan las moléculas, como la capacidad calorífica, son infinitas.

Utilizando dos métodos computacionales diferentes y dos modelos informáticos de agua altamente realistas, el equipo identificó el punto crítico líquido-líquido en un rango de aproximadamente 190 a 170 grados Kelvin (-83 a -103 grados Celsius) a aproximadamente 2000 veces la presión atmosférica a nivel del mar.

La detección del punto crítico es un paso satisfactorio para los investigadores involucrados en una larga búsqueda para determinar la explicación física subyacente de las propiedades inusuales del agua. Hace varias décadas, los físicos teorizaron que enfriar el agua a temperaturas por debajo de su punto de congelación mientras lo mantenían como líquido, un estado "sobreenfriado" que ocurre en nubes de gran altitud, expondría las dos formas líquidas únicas del agua a presiones suficientemente altas.

Para probar la teoría, los científicos recurrieron a las simulaciones por computadora. Hasta ahora, los experimentos con moléculas de agua de la vida real no han proporcionado evidencia inequívoca de un punto crítico, en parte debido a la tendencia del agua sobreenfriada a congelarse rápidamente en hielo.

Francesco Sciortino, profesor de física en la Universidad Sapienza de Roma, realizó uno de los primeros estudios de modelado de este tipo mientras era investigador postdoctoral en 1992. Ese estudio, publicado en la revista Nature, fue el primero en sugerir la existencia de un punto crítico entre las dos formas líquidas.

El hallazgo actual es extremadamente importante para Sciortino, quien también es coautor del nuevo estudio en Science. Para llevarlo a cabo, utilizó computadoras de investigación mucho más rápidas y potentes y modelos de agua más nuevos y precisos. Incluso con las poderosas computadoras modernas, las simulaciones tomaron aproximadamente un año y medio.

En el caso de las dos formas líquidas del agua, las fases coexisten en un equilibrio incómodo a temperaturas bajo cero y a presiones suficientemente altas. A medida que baja la temperatura, las dos fases líquidas participan en un tira y afloja hasta que una gana y todo el líquido se vuelve de baja densidad.

En las simulaciones realizadas por Gül Zerze en Princeton y Sciortino en Roma, a medida que desminuía la temperatura muy por debajo del punto de congelación en el rango sobreenfriado, la densidad del agua fluctuaba enormemente como se predijo.

Es probable que algunos de los comportamientos extraños del agua estén relacionados con las propiedades que dan origen a la vida. "El fluido de la vida es el agua, pero aún no sabemos exactamente por qué el agua no es reemplazable por otro líquido. Creemos que la razón tiene que ver con el comportamiento anormal del agua. Otros líquidos no muestran esos comportamientos, así que esto debe estar vinculado al agua como el líquido de la vida", explicó Zerze.