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El agua es un compuesto químico que nos es familiar a todo el mundo, forma parte de nuestros cuerpos y de nuestro planeta, pero a pesar de su abundancia, su estructura molecular sigue siendo un misterio, presenta muchas propiedades extrañas que continúan estando mal comprendidas. Los trabajos recientes del Departamento de Energía del National Accelerator Laboratory (SLAC), junto con varias Universidades de Suecia y Japón, están arrojando una nueva luz acerca del comportamiento molecular del agua, ofreciendo una visión de las insólitas propiedades de la misma.

El agua presenta 66 anomalías conocidas, incluyendo una extraña variación de la densidad, una gran capacidad calorífica y una alta tensión superficial. Al contrario de otros líquidos “normales”, los cuales se hacen más densos conforme se enfrían, el agua alcanza su máxima densidad a unos 4 grados Centígrados. Por encima y por debajo de esa temperatura, el agua es menos densa; esta es la razón por la que se congelen los lagos desde la superficie hacia abajo. El agua también posee una excepcional gran capacidad para almacenar calor, lo cual permite estabilizar la temperatura de los océanos, una alta tensión superficial, que permite a los insectos caminar sobre ella, tiende a formar gotitas y hace que los árboles la puedan transportar a grandes alturas.

“La comprensión de estas anomalías resulta muy importante porque constituye la base de nuestra existencia: sin agua no hay vida”, afirma Anders Nisson científico del SLAC, que dirige los trabajos experimentales. “Nuestro trabajo contribuye a explicar estas anomalías a nivel molecular a temperaturas que son relevantes para la vida”.

Hace tiempo que se aclaró como se organizan las moléculas del agua para convertirse en hielo, las moléculas forman un entramado “tetraédrico” compacto, en la que cada molécula enlaza con otras cuatro. Descifrar la ordenación molecular del agua líquida, sin embargo, está demostrando ser mucho más compleja. Durante unos 100 años esta estructura ha sido un intenso tema de debate. El modelo que actualmente se presenta en los libros de texto afirma que el hielo está compuesto por estructuras tetraédricas, y que el agua líquida debe ser similar, pero menos estructurada debido a que el calor genera desorden y rompe los enlaces. Cuando el hielo funde, la estructura tetraédrica se desmorona deshaciéndose cada vez más conforme aumenta la temperatura, pero continúa conservando la configuración tetraédrica tanto como le es posible, presentando una distribución homogénea alrededor de las estructuras tetraédricas parcialmente rotas.

Recientemente, Nilsson y sus colaboradores dirigieron potentes haces de rayos X generados por el (Stanford Linear Accelerator Center) del Stanford Synchrotron Radiation Lightsource y el sincrotron SPring-8 de Japón, a muestras de agua líquida. Con estos experimentos se concluyó que el modelo de agua en condiciones ambientales que aparece en los libros de texto era incorrecto y que inesperadamente, existen dos estructuras distintas, o muy desordenada o muy tetraédrica, independientemente de la temperatura.

En un artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, los investigadores revelaron descubrimientos adicionales respecto a cuales de los dos tipos de estructuras espaciales se encuentran separadoa, con las configuraciones tetraédricas formando “agrupaciones” constituidas por cerca de 100 moléculas rodeadas por regiones desordenadas; el líquido es una mezcla que fluctúa entre ambas estructuras, a temperaturas que abarcan desde la ambiente hasta las proximidades del punto de ebullición. Conforme se incrementa la temperatura del agua, existen cada vez menos estas agrupaciones, pero se mantienen en mayor o menor grado con un tamaño similar. Los investigadores también han descubierto que las regiones desordenadas, se van incrementando por si solas conforme se incrementa la temperatura.

“Esto se puede visualizar con el símil de un baile muy concurrido en una habitación, con gente sentada en grandes mesas ocupando un pequeño espacio del salón de baile – como si del componente tetraédrico del agua se tratara- y otra gente en la pista de baile estando muy apretados y desplazándose más o menos rápido dependiendo del ambiente o “temperatura” del local, como las moléculas en las regiones desordenadas que pueden ser excitadas por el calor, donde los bailarines se pueden animar y moverse más rápido con la música”, Nilsson afirma que, “se produce un intercambio cuando la gente sentada decide levantarse a bailar y los que están bailando se sientan para descansar. Cuando el salón de baile se encuentra realmente saturado de gente bailando, las mesas también pueden ser apartadas para permitir el acceso a más bailarines y cuando el ambiente se calma, se pueden volver a traer las que habían sido apartadas anteriormente”.

Esta comprensión más detallada de la estructura molecular y la dinámica del agua líquida a temperatura ambiente refleja el trabajo teórico realizado sobre el agua “sobreenfriada”, un estado poco habitual en la que el agua no se convierte en hielo aunque esté basta lejos del punto de congelación. En este estado, los teóricos postulan que el líquido está compuesto por una mezcla en constante fluctuación entre la tetraédrica y otras más desordenadas, cuya relación depende de la temperatura, exactamente a como Nilsson y sus colaboradores han determinado la importancia que éste hecho tiene en el agua a temperatura ambiente, y su importancia para la vida.

“Con anterioridad, difícilmente cualquier persona podía pensar que, tales fluctuaciones podrían conducir a las distintas estructuras locales existentes a temperatura ambiente. Afirmó Nilsson, quien añadió, “esto es precisamente lo que hemos encontrado”.

Este nuevo trabajo aclara, en parte, las extrañas propiedades de los líquidos. La máxima densidad del agua a 4 ºC puede ser explicada por el hecho de que, la estructura tetraédrica posee una densidad menor, y que no varía apreciablemente con la temperatura, mientras que las estructuras de las regiones más desordenadas con mayor densidad, se hacen más desordenadas y menos densas con el aumento de la temperatura. De mismo modo, cuando se calienta el agua, aumenta el porcentaje de moléculas más desordenadas, permitiendo que ésta estructura excitable absorba cantidades apreciables de calor, lo que conduce a la alta capacidad calorífica del agua. La tendencia del agua a formar enlaces de Hidrógeno fuertes, explica la alta tensión superficial del agua, que los insectos aprovechan para caminar sobre ella.

El vínculo de la estructura molecular del agua con sus propiedades, resulta de una enorme importancia para una variedad de aplicaciones que se extienden desde la medicina y la biología a la climatología y al investigación energética.

“Si no comprendemos la materia básica para la vida, ¿Cómo podemos estudiar sustancias más complejas, como las proteínas, que están relacionadas con el agua?” inquirió el investigador posdoctoral Congcong Huang, que ha llevado los experimentos de dispersión con rayos X. “Debemos de comprender lo simple antes de que podamos entender lo complejo”.

Esta investigación ha sido realizada por científicos del SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), la Universidad de Estocolmo, el Spring-8 de la Universidad de Tokio, Universidad de Hiroshima y Universidad Linkoping. Fue subvencionado por la National Science Foundation, la Swedish Foundation for Strategic Research, el Swedish Research Council, el Swedish National Supercomputer Center y el Japanese Ministry of Education, Science, Sports and Culture con ayudas para la Investigación Científica.

El SLAC del National Accelerator Laboratory, es un laboratorio multiprograma de exploración de asuntos punteros en la Ciencia de los Fotones, Astrofísica, Física de partículas e investigación con aceleradores. Está situado en Menlo Park, California, el SLAC es manejado por la Universidad de Stanford dependiente del Department of Energy Office of Science de los Estados Unidos. El Stanford Synchrotron Radiation Lightsource del SLAC es una instalación para el usuario nacional, que proporciona la radiación de sincrotrón necesaria para la investigación en Química, Biología, Física y Ciencia de los Materiales, a unos dos mil usuarios cada año.

Adaptación de la información facilitada por el DOE/SLAC National Accelerator Laboratory.

Fuente: Science Daily