Agua extraña: Descubrimiento reta las viejas creencias sobre las propiedades especiales del agua

Los científicos se han maravillado durante mucho tiempo de las propiedades poco intuitivas que colocan al agua aparte del resto de sólidos y líquidos que encontramos comúnmente en la naturaleza. (Crédito: iStockphoto)

Más allá de su papel como elixir de toda la vida, el agua es una sustancia muy inusual: Los científicos se han maravillado durante mucho tiempo de las propiedades en contra del sentido común que colocan al agua aparte del resto de sólidos y líquidos que encontramos comúnmente en la naturaleza.

El simple hecho de que el agua se expanda cuando se congela – un efecto conocido por todo el mundo que haya tenido el estallido de una cañería en invierno — es sólo el principio de una larga lista de características especiales. (La mayoría de los líquidos se contraen cuando se congelan).

Por esto es por lo que el ingeniero químico Pablo Debenedetti y sus colaboradores de otras tres instituciones quedaron sorprendidos al encontrar un modelo altamente simplificado de molécula que se comportaba en muchos aspectos como el agua, un descubrimiento que acaba con la antigua creencia de que el agua es tan especial.

“La creencia convencional es que el agua es única”, dijo Debenedetti, Profesor Class of 1950 en Ingeniería y Ciencia Aplicada. “Y aquí tenemos un modelo muy simple que presenta comportamientos que apenas encontraríamos en otra cosa que no fuese el agua. Esto se obliga a repensar si el agua es tan única”.

Aunque su imitador del agua es hipotético – se creó mediante un programa de ordenador que se usa habitualmente para simular interacciones entre moléculas – los investigadores descubrieron que finalmente puede tener implicaciones para la investigación farmacéutica o industrial. “Sería muy interesante ver si los experimentadores pueden crear coloides (pequeñas partículas suspendidas en el líquido) que exhiban propiedades similares a las del agua que observamos en nuestras simulaciones”, dijo Debenedetti. Tales creaciones de laboratorio podrían ser útiles para controlar el auto-ensamblaje de biomoléculas complejas o detergentes y otros surfactantes.

Más fundamentalmente, la investigación genera preguntas sobre por qué el agua y el aceite no se mezclan, dado que la molécula simulada repele el aceite de la misma forma que el agua, pero sin las delicadas interacciones entre el hidrógeno y el oxígeno que se piensa que dan al agua gran parte de su comportamiento especial.

Los investigadores publicaron sus conclusiones en el ejemplar del 12 de diciembre de Proceedings of the National Academy of Sciences. El equipo también incluyó al autor principal Sergey V. Buldyrev de la Universidad de Yeshiva, Pradeep Kumar y H. Eugene Stanley de la Universidad de Boston, y Peter J. Rossky de la Universidad de Texas. La investigación fue patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencia a través de una beca compartida por Debenedetti, Rossky y Stanley.

El descubrimiento se suma a un avance anterior de los mismos investigadores. Se había demostrado previamente que las moléculas simples pueden mostrar algunas características similares a las del agua. En 2006, los colaboradores publicaron un artículos mostrando que podían inducir peculiaridades del agua ajustando la distancia a la cual pares de partículas empezaban a repelerse unas a otras. Como el agua, su sustancia simulada se expandía cuando se enfriaba y se hacía más fluida cuando se presurizaba. Tal hallazgo les llevó a investigarlo más de cerca. Decidieron echar un vistazo a cómo actúan como solvente sus moléculas simuladas – es decir, cómo se comportan cuando otros materiales son disueltos en ella – dado que el comportamiento del agua como solvente también es único.

En su artículo actual, simulan la introducción de materiales aceitosos en su imitador y mostró el mismo comportamiento de repulsión al aceite que el agua real a lo largo de un rango de temperaturas. También simularon la disolución de polímeros aceitosos en la sustancia y, de nuevo, encontraron el comportamiento similar al del agua. En particular, los polímeros aumentaron no sólo cuando el “agua” se calentó, sino cuando se súper-enfrió, lo cual es una de las características que definen al agua real. Las proteínas con aceite en su interior también se comportan de esta forma.

En el agua real, estos especiales comportamientos se cree que surgen a partir de la estructura del agua – dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno. La ordenación de las cargas eléctricas provoca que las moléculas de agua se giren y peguen entre sí de formas complejas.

Para crear su simulación, los investigadores ignoraron estas complejidades. Simplemente especificaron dos propiedades: la distancia a la que dos partículas que convergen empiezan a repelerse y la distancia a la cual realmente colisionan como bolas de billar. Sus partículas podrían estar hechas de cualquier cosa – bolas de plástico, por ejemplo – y mientras que la razón entre las distancias sea la correcta (7:4), mostrarían muchas de las mismas características del agua.

“Este modelo es tan simple que es casi una caricatura”, dijo Debenedetti. “Y aún así tiene estas propiedades tan especiales. Demostrar que puedes tener repulsión agua-aceite sin uniones de hidrógeno es muy interesante”.

Debenedetti apunta que sus partículas difieren del agua en aspectos clave. Cuando se congelan, por ejemplo, los cristales no parecen hielo. Por tal razón, la investigación no debería verse como que lleva a un “sustituto del agua”.

Como siguiente paso, Debenedetti dijo que le gustaría ver si los experimentadores pueden crear partículas que tengan las mismas especificaciones simples de su modelo y ver si el comportamiento encaja con la simulación por ordenador.


Fecha Original: 17 de enero de 2008
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