Ciencia Kanija

Esta imagen muestra dos estructuras distintas de agua: en primer plano, el agua tetraédrica de baja densidad y en el fondo, el agua distorsionada de alta densidad. Imagen cortesía de Hirohito Ogasawara/Ningdong Huang (SLAC).

A pesar de la abrumadora abundancia de agua en el planeta y en nuestras vidas, la estructura molecular del agua ha permanecido como un misterio.

En total, el agua exhibe 66 anomalías conocidas, incluyendo una extraña densidad variable, gran capacidad de calor y alta tensión superficial. Al contrario que otros líquidos “normales”, que se hacen más densos cuando se enfrían, el agua alcanza su densidad máxima a aproximadamente 4° Celsius. Por encima y por debajo de esta temperatura, el agua es menos densa; esto es por lo que, por ejemplo, los lagos comienzan a congelarse por la superficie

El agua también tiene una capacidad inusualmente grande de almacenar calor, el cual estabiliza la temperatura de los océanos, y una alta tensión superficial, que permite a los insectos andar sobre el agua, formarse gotas, y que los árboles transporten el agua a grandes alturas.

Un reciente trabajo del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía y varias universidades de Suecia y Japón, no obstante, están arrojando nueva luz sobre las idiosincrasias moleculares del agua, ofreciendo una nueva visión en su extraño cúmulo de propiedades.

“Comprender estas anomalías es muy importante debido a que el agua es la base final de nuestra existencia: sin agua, no hay vida”, dijo el científico de SLAC Anders Nilsson, que está liderando los esfuerzos experimentales. “Nuestro trabajo ayuda a explicar estas anomalías en el nivel molecular a temperaturas que son relevantes para la vida”.

Cómo se ordenan las moléculas para formar agua sólida, hielo, se estableció hace tiempo: las moléculas forman una red “tetraédrica” compacta, con cada molécula enlazándose a cada una de las otras. Descubrir la ordenación molecular del agua líquida, no obstante, ha demostrado ser mucho más complejo. Durante aproximadamente 100 años, esta estructura ha sido tema de un intenso debate. El modelo actual de los libros de texto mantiene que, dado que el hielo está hecho de estructuras tetraédricas, el agua líquida debería ser similar, pero menos estructurada dado que el calor crea desorden y rompe enlaces. Cuando se funde el hielo, la historia continúa, las estructuras tetraédricas pierden su agarre, disgregándose conforme aumenta la temperatura, pero aún tratando de mantenerse tan tetraédricas como sea posible, dando como resultado una suave distribución alrededor de estructuras tetraédricas distorsionadas y parcialmente rotas.

Recientemente, Nilsson y sus colegas dirigieron potentes rayos-X generados por la Fuente de Luz de Radiación del Sincrotrón de Stanford en SLAC y de la instalación de sincrotrón SPring-8 en Japón sobre muestras de agua líquida. Estos experimentos sugirieron que el modelo de libro de texto del agua en condiciones ambientales era incorrecto y que, inesperadamente, había dos estructuras distintas, una de ellas muy desordenada y otra muy tetraédrica, sin importar la temperatura.

En un artículo publicado ayer en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, los investigadores revelaron el descubrimiento adicional de que los dos tipos de estructuras están separados espacialmente, con las estructuras tetraédricas viviendo en “cúmulos” hechos de hasta unas 100 moléculas rodeadas por regiones desordenadas; el líquido es una mezcla fluctuante de dos estructuras a temperaturas que varían desde la ambiente hasta casi el punto de ebullición. Cuando aumenta la temperatura del agua, cada vez hay menos cúmulos; pero siempre están ahí en algún grado, en cúmulos de tamaño similar. Los investigadores también descubrieron que las regiones desordenadas se hacen más desordenadas cuando aumenta la temperatura.

“Se puede visualizar esto como un salón de baile abarrotado, con gente sentada en largas mesas, ocupando un gran espacio de la sala – como los componentes tetraédricos del agua – y otra gente en la pista de baile, más juntos entre sí y moviéndose más rápido o lento dependiendo de la atmósfera o “temperatura” de la sala — como las moléculas en las regiones desordenadas que pueden ser excitadas por el calor, los bailarines pueden ser excitados y moverse más rápido con la música”, dijo Nilsson. “Hay un intercambio cuando la gente sentada decido levantarse y bailar y los otros bailarines se sientan a descansar. Cuando la pista de baile realmente se llena, las mesas pueden quitarse también para permitir más bailarines, y cuando las cosas se enfrían, se vuelven a colocar más mesas”.

Esta comprensión más detallada de la estructura y dinámica molecular del agua líquida a temperatura ambiente refleja el trabajo teórico sobre el agua “súper-enfriada”: un estado inusual en el que el agua no se ha convertido en hielo incluso aunque está muy por debajo del punto de congelación. En este estado, proponen los teóricos, el líquido está hecho de una continua mezcla fluctuante de tetraedros y estructuras más desordenadas, con la proporción de ambas dependiendo de la temperatura — justo como Nilsson y sus colegas han encontrado que es el caso con el agua a la temperatura ambiente importante para la vida.

“Anteriormente, difícilmente nadie pensaría que tales fluctuaciones llevan a estructuras locales distintas que existían a temperatura ambiente”, dijo Nilsson. “Pero eso es precisamente lo que encontramos”.

Este nuevo trabajo explica, en parte, las extrañas propiedades del líquido. La máxima densidad del agua, a 4° Celsius puede explicarse mediante el hecho de que las estructuras tetraédricas son de menor densidad, las cuales no varían significativamente con la temperatura, mientras que las regiones más desordenadas — que tiene mayor densidad — se desordenan más y por tanto son menos densas con el incremento de temperatura. De la misma forma, cuando el agua se calienta, el porcentaje de moléculas en el estado más desordenado se incrementa, permitiendo que esta estructura excitable absorba cantidades significativas de calor, lo cual lleva a una alta capacidad de calor del agua. La tendencia del agua a formar fuertes enlaces de hidrógeno explica la alta tensión superficial que aprovechan los insectos para andar sobre el agua.

Conectar la estructura molecular del agua con sus propiedades generales de esta forma es tremendamente importante para campos que van desde la medicina y la biología al clima y la investigación energética.

“Si no comprendemos este material básico para la vida, ¿cómo podremos estudiar los materiales más complejos – como las proteínas – que están inmersos en el agua?”, se pregunta el Investigador de Posdoctorado Congcong Huang, que llevó a cabo experimentos de dispersión de rayos-X. “Debemos comprender lo simple antes de comprender lo complejo”.

Fecha Original: 11 de agosto de 2009
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Esta entrada fue escrita el Jueves, 13 de Agosto de 2009 a las 8:22 am y archivada en Quí­mica. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web.