Desde los primeros ciclos educativos, suele enseñarse el ciclo del agua, como precedente para después estudiar en ciencias los estados de la materia, enmarcándose siempre dentro de contextos convencionales.
A causa de particularidades propias del agua, que aún no han sido resueltas del todo por la comunidad científica, bajo temperaturas considerablemente inferiores al punto de congelación de este elemento, el comportamiento del mismo ha abierto el camino para revelar nuevos antecedentes sobre su composición.
Los secretos del agua los evidencia su estado superenfriada
El agua se escapa de la lógica de otros fluidos. Es más densa en estado líquido que en su presentación sólida. Que un hielo pueda flotar sobre el agua es muestra de esto, fácil de patentar a la vista. Sin embargo, el trasfondo de este fenómeno ha sido materia de investigación durante décadas.
En 2020, un equipo de científicos del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) iniciaron una investigación para aproximarse a una comprensión de este fenómeno. En un gesto inédito, consiguieron enfriar el agua a temperaturas entre -47.6 °C (190 K) y -7.3 °C (245 K), gracias al uso de una novedosa técnica de enfriamiento mediante láser que reveló los cambios a nanoescala que sufre el agua líquida al ser superenfriada.
«El agua es uno de los disolventes más importantes que tenemos», selaló Greg Kimmel, físico químico del PNNL, en conversación con la institución. «Estamos tratando de entender mejor cómo se comporta el agua en las interfaces, en el confinamiento y en las soluciones, cómo se condensa y cristaliza, etcétera», agregó.
«A medida que se baja la temperatura, la mayoría de las moléculas líquidas se empaquetan muy fuertemente y son muy densas. Pero por debajo de 39°F, el agua es justo lo contrario», explicó Loni Kringle, quien trabajó en la investigación como investigadora postdoctoral. «Las moléculas de agua forman enlaces tetraédricos que ocupan mucho espacio. A medida que el agua se enfría, se expande y disminuye en densidad».
Si bien, existían teorías sobre los cambios estructurales de carácter reversible a los que se expone el agua antes de cristalizarse bajo el mismo rango de temperaturas empleado en el experimento, no existían reportes empíricos al respecto.
«Ese rango de temperatura es muy difícil de alcanzar y controlar experimentalmente, y eso es lo que superó la técnica de calentamiento pulsado», dijo Kringle, quien trabajó en la realización de experimeintos y el análisis de datos junto a otro investigador postdoctoral, Wyatt Thornley.
En estado superenfirado, el agua en forma líquida, al permanecer bajo niveles considerablemente inferiores al punto normal de congelación, pierde estabilidad. A esta condición se le denomina estado metaestable, pues su estructura no cambia, sólo se desequilibra.
A través de esta investigación, los científicos se valen de la intervención de su tecnología láser para medir la velocidad a la que el agua cristaliza y difunde.
Un primer avance, reportado a través de la revista Science en septiembre de 2020, esquematizó los primeros datos recabados, haciendo un símil entre los rangos de temperatura del experimento y los niveles de frío que se pueden percibir más allá de la atmósfera terrestre.
Un segundo reporte, publicado en abril por la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, aportó un análisis profundo de los cambios estructurales, más allá de sólo centrarse en un trabajo de investigación cualitativa.
Actualmente, el trabajo continúa, en busca de datos más profundos que aún son un misterio en torno al agua y sus estados menos tradicionales.
Al reportar los últimos avances de esta investigación, el PNNL resaltó la importancia de conocer estos nuevos aspectos sobre el agua, pues pueden implicar un impacto importante en la comprensión del cambio climático y algunos procesos biológicos y físicos vinculados, en el desarrollo optimizado de químicos para la energía y el procesamiento nuclear e incluso, nuevos medicamentos.
Fotografía del encabezado: Loni Kringle, Pacific Northwest National Laboratory