Los científicos de la Universidad de Tokio han estudiado en detalle la estructura del agua como líquido y han descubierto que sus propiedades dependen de la proporción de estados de dos fases.
Todo el mundo sabe que las propiedades del agua son diferentes a la mayoría de los líquidos: se expande cuando se congela (por tanto, el hielo es más ligero), cuando se contrae, su viscosidad disminuye, etc. Estas propiedades aparentemente anómalas se nos explican en la escuela por la presencia de enlaces de hidrógeno entre moléculas. Sin embargo, los detalles aún se comprenden mal, aunque el tema es extremadamente importante tanto para la química como para la física. Las propiedades específicas del agua también se utilizan en medicina y disciplinas técnicas.
El Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio logró avanzar en la comprensión del fenómeno de la estructura del agua.
El agua líquida forma estructuras tetraédricas de naturaleza local, que se forman con la ayuda de enlaces de hidrógeno; esto se conoce desde hace mucho tiempo. Los científicos japoneses han determinado que el agua no es sólo "agua desordenada" en la que flotan "partículas" de "agua tetraédrica": el sistema tiene un diagrama de estado similar a las fases sólidas.
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Se ha desarrollado un modelo que considera el agua líquida como un sistema que consta de dos fases. El primero es un estado desordenado con alta simetría rotacional. En pocas palabras, esta es la ausencia de un patrón definido en las "direcciones" de las moléculas en un líquido. La segunda fase no solo está ordenada tetraédricamente, sino también termodinámicamente en un estado de desequilibrio. La interacción de estos estados se describe mediante el parámetro lambda (λ), cuyo significado físico es una evaluación de la fuerza relativa de las interacciones intermoleculares de naturaleza par y triple. Es decir, lo habitual, entre dos moléculas libres, y entre las moléculas que forman una estructura tetraédrica. En consecuencia, un aumento en el parámetro λ indica un aumento en el orden del sistema.
Este modelo parece simple, pero predice bien el comportamiento anormal del agua como líquido.
Uno de los líderes del estudio, John Russo, explica: "… A medida que aumenta λ, las capas tetraédricas que se forman alrededor de cada molécula se vuelven energéticamente más estables". Esto compensa el consumo de energía para ordenar la estructura como un todo. Los científicos, cambiando λ, han modelado diagramas de fase, cuya estructura puede ser bastante inesperada. Entonces, la figura de la izquierda muestra la estructura del agua del tipo Si34: se forma bajo presión negativa. Además, su estructura es de clatrato, es decir, de hecho, es un compuesto de inclusión: algunas de las moléculas de agua se encuentran en las cavidades de la estructura formada por sus otras moléculas.
Imagen de la estructura del agua en el estado de fase Si34 (izquierda) y el diagrama de fase en coordenadas λ / presión (derecha) / Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio.
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La dependencia revelada no es lineal, el efecto máximo sobre las propiedades del agua ocurre en λ = 23.15.
Hajime Tanaka, uno de los líderes del proyecto, destacó el importante papel de la investigación en química física.
La relación de parámetros macroscópicos como la viscosidad con las estructuras microscópicas, producida utilizando un modelo relativamente simple, es de hecho un logro importante. Desde un punto de vista práctico, comprender la estructura del agua debería ayudar al desarrollo de filtros finos eficientes.
Anton Bugaychuk
