Nos enfrentamos a muchos misterios, desde la naturaleza de la materia oscura y el origen del universo a la búsqueda de una Teoría del Todo. Estos son todos enigmas a gran escala, pero se puede observar otro misterio sin resolver del mundo físico —desconcertante por igual, aunque no tan grande— en la comodidad de su cocina
Simplemente llene un vaso alto con agua fría, tire dentro un cubo de hielo y deje reposar.
El hecho de que el cubo de hielo flote es la primera rareza. Y el misterio crece si se toma un termómetro para medir la temperatura del agua a diferentes profundidades. En la parte superior, cerca del cubo de hielo, la encontrará a alrededor de 0 ° C, pero en el fondo debería ser de alrededor de 4 ° C. Esto es porque el agua es más densa a 4 ° C de lo que es a cualquier otra temperatura, otro rasgo extraño que la diferencia de otros líquidos.
Las propiedades extrañas del agua no terminan ahí, y algunas son vitales para la vida. Debido a que el hielo es menos denso que el agua y el agua es menos densa en su punto de congelación que cuando está ligeramente más caliente, se congela de arriba hacia abajo en lugar de abajo hacia arriba. Así que, incluso durante las edades de hielo, la vida continuó prosperando en la parte baja de los lagos y en el océano profundo. El agua también tiene una extraordinaria capacidad para absorber el calor, y esto ayuda a suavizar los cambios climáticos que de otro modo podrían devastar los ecosistemas.
Sin embargo, a pesar de la enorme importancia del agua para la vida, ninguna teoría ha podido explicar satisfactoriamente sus misteriosas propiedades… hasta ahora. Si hemos de creer a los físicos Anders Nilsson en la Universidad de Stanford, California, y Lars Pettersson de la Universidad de Estocolmo, Suecia, y sus colegas, por fin estamos llegando al fondo de muchas de estas anomalías.
Sus ideas controvertidas amplían una teoría propuesta hace más de un siglo por Wilhelm Roentgen, descubridor de los rayos X, que afirmaba que las moléculas de agua líquida se empaquetan juntas no sólo de una manera, como se puede ver en los libros de texto actuales, sino en dos formas fundamentalmente diferentes.
La clave para comprender los misterios del agua es la manera en que sus moléculas —formadas por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno— interactúan entre sí. El átomo de oxígeno tiene una ligera carga negativa, mientras que los átomos de hidrógeno comparten una carga positiva que compensa. Por esto, el hidrógeno y los átomos de oxígeno de las moléculas vecinas se atraen entre sí, formando un enlace llamado enlace de hidrógeno.
Los enlaces de hidrógeno son mucho más débiles que los enlaces que unen los átomos en las moléculas, y por eso continuamente se rompen y forman de nuevo, pero son más fuertes cuando las moléculas están dispuestas de manera que cada uno de los enlaces de hidrógeno se alinea con un enlace molecular (ver diagrama). La forma de una molécula de agua es tal que cada molécula de H2O está rodeada por cuatro vecinas organizadas en forma de una pirámide triangular, mejor conocida como tetraedro.
Al menos, esta es la manera se autoorganizan las moléculas en el hielo. Según la visión convencional, el agua líquida tiene una estructura similar, aunque menos rígida, en la que moléculas adicionales se pueden meter en algunas de las brechas abiertas en la disposición tetraédrica. Esto explica por qué el agua líquida es más densa que el hielo, y parece ajustarse a los resultados de varios experimentos en los que se hacen rebotar haces de rayos X, rayos infrarrojos y neutrones en las muestras de agua.
Es cierto que algunos físicos han afirmado que el agua, bajo ciertas condiciones extremas, puede separarse en dos estructuras diferentes (ver «agua extrema»), pero la mayoría ha asumido que adquiere una estructura única en condiciones normales.
Estaban usando espectroscopía de absorción de rayos X para investigar el aminoácido glicina. Los picos en el espectro de absorción de rayos X pueden arrojar luz sobre la naturaleza exacta de los enlaces químicos de la sustancia en juego, y por lo tanto de su estructura. Es importante destacar que los investigadores habían obtenido una nueva fuente de rayos X de alta energía con la que fueron capaces de hacer nediciones más sensibles y precisas que lo que antes era posible. Pronto se dieron cuenta de que el agua que contenía la muestra de glicina estaba produciendo un espectro mucho más interesante que el de los aminoácidos. «Lo que vimos fue sensacional», recuerda Nilsson, «así que tuvimos que llegar al fondo de eso».
Consecuencias dramáticas
El rasgo que provocó su interés era un pico en el espectro de absorción que no predice el modelo tradicional del agua líquida. De hecho, en un artículo publicado en 2004 llegaron a la conclusión de que, en un momento dado, el 85 por ciento de los enlaces de hidrógeno en el agua debe estar debilitado o roto, mucho más que el 10 por ciento pronosticado por el modelo de los libros de texto (Science, vol 304, p 995).
Las implicaciones de este hallazgo son dramáticas: sugierieron que era necesario un replanteamiento total de la estructura del agua. Así que Nilsson y Pettersson realizaron otros experimentos de rayos X para confirmar sus afirmaciones. Su primer paso fue conseguir la ayuda de Shik Shin de la Universidad de Tokio, Japón, especializado en una técnica llamada espectroscopía de emisión de rayos X. La clave de estos espectros es que cuanto más corta es la longitud de onda de los rayos X en el espectro de emisión de una sustancia, tanto más débil debe ser la vinculación del hidrógeno.
El equipo encontró su mina de oro: el espectro de los rayos X emitidos incluía dos picos, que podrían corresponder a dos estructuras separadas. El pico de la onda más larga de rayos X, argumentaron los investigadores, indica la proporción de moléculas acomodadas en forma de tetraedro, mientras que los picos de onda de menor longitud reflejan la proporción de moléculas desordenadas.
Es importante destacar que el pico de menor longitud de onda de la emisiones de rayos X fue el más intenso de los dos, lo que sugiere que las moléculas ligadas débilmente deben ser más frecuente dentro de la muestra, una afirmación que coincidía con los modelos anteriores del equipo. Es más, también se encontró que este pico se desplaza a una longitud de onda aún más corta al calentar el agua, mientras que el otro pico sigue estando más o menos fijo (Chemical Physics Letters, vol 460, p 387).
Esto indica que los enlaces de hidrógeno que conectan las moléculas dispuestas de manera desordenada son más propensos a aflojarse después del calentamiento que aquellos que unen las moléculas dispuestas más regularmente, de nuevo algo coincidente con lo predicho por que el equipo. Luego volvieron a analizar los datos experimentales más antiguos, que parecían apoyar la imagen tradicional de agua, y ahora sostienen que estos resultados también son compatibles con el nuevo modelo.
Si el equipo tiene razón, surge otra pregunta: ¿Qué tamaño tienen las diferentes estructuras dentro del líquido? Para averiguarlo, se dirigieron a los rayos X de alta energía generados en el Stanford Synchrotron Radiation Lightsource en California, esta vez para medir cómo dispersa el agua los rayos que llegan desde diferentes ángulos. Los resultados, dicen ellos, revelan que el agua está salpicada de pequeñas regiones de las moléculas organizadas tetraédricamente, cada región de 1 a 2 nanómetros de diámetro (Proceedings of the National Academy of Sciences, vol 106, p 15214).
Combinando esto con las mediciones llevadas a cabo por Uwe Bergmann, de la Universidad de Stanford, llegaron a la conclusión de que las estructuras ordenadas consistían, en promedio, de aproximadamente 50 a 100 moléculas rodeadas por un mar de las moléculas ligadas más débilmente. Sin embargo, estas regiones no son fijas. Se cree que, en menos de una billonésima de segundo, las moléculas de agua fluctúan entre los dos estados cuando se rompen los enlaces de hidrógeno y se reacomodan.
Explicar lo inexplicable
El equilibrio cambiante entre los dos tipos de agua de Nilsson y Pettersson ofrece una explicación para los picos de densidad del agua a 4 ° C de temperatura. En las regiones desordenadas, las moléculas de agua están más apretadas, lo que las hace más densas que las regiones donde las moléculas están dispuestas en una estructura tetraédrica. A cero grados C, estas regiones desordenadas deben ser relativamente poco frecuentes, pero cuando el agua se calienta la energía térmica adicional tiende a sacudir la estructura más ordenada y a separarla, por lo que las moléculas pasan menos tiempo en la estructura tetraédrica y más tiempo en las regiones desordenadas, haciéndola que más densa en promedio.
Contrarrestando esto, las moléculas débilmente ligadas se moverán con más fuerza a medida que aumenta la temperatura, lo que poco a poco las fuerza a separarse aún más unas de otras. Una vez que suficientes moléculas quedan débilmente ligadas —a 4 ° C— el efecto de expansión dominará, y la densidad disminuirá con el aumento de temperatura.
Según Pettersson, la teoría ofrece explicaciones igualmente ordenadas para muchos de otras anomalías del agua que antes eran inexplicables, algo que, dicen ellos, ninguna otra teoría puede lograr aún (véase «misterios del agua»). Martin Chaplin, un químico en la London South Bank University, está de acuerdo. Las explicaciones basadas en el sistema convencional de un componente deberán «dar vuelta y más vueltas» para tratar de acomodar los máximos y mínimos en las diferentes propiedades mientras cambia la temperatura del agua, dijo. «La idea de doble estructura resulta apoyada con fuerza por la experiencia y puede explicar las anomalías del agua mucho más fácilmente que la imagen convencional», dice Chaplin.
El artículo de 2004 de Nilsson y Pettersson en Science Ciencia fue citado más de 350 veces por otros investigadores. Sin embargo, muchos siguen siendo escépticos. Una de las críticas es que la explicación del equipo de sus resultados de la espectroscopia de rayos X se basa en simulaciones de al menos 50 moléculas de agua interactuando, un modelo muy complejo que sólo se puede resolver aproximadamente. «Necesitamos una teoría mucho más precisa con el fin de realizar esas afirmaciones tan drásticas», dice Richard Saykally en la Universidad de California, Berkeley. Él afirma que son suficientes mínimos ajustes en la disposición de los enlaces de hidrógeno en la estructura convencional para explicar los resultados de Nilsson y Pettersson con los rayos X.. Uno de los miembros de su grupo, Michael Odelius de la Universidad de Estocolmo, incluso dejó la colaboración, porque no estaba de acuerdo con su interpretación de los datos de emisión de rayos X.
Un detalle que vuelve locos a muchos escépticos es la afirmación en el documento de 2004 que dice que las moléculas más débilmente unidas forman anillos y cadenas, y, de hecho Nilsson y sus colegas son ahora menos específicos sobre la estructura de las moléculas desordenadas. Eugene Stanley de la Universidad de Boston, sin embargo, no cree que esto dañe fatalmente la causa del equipo. «Yo no creo que deban ser condenados por siempre», dice. Aunque sus argumentos todavía no están libres de hacer agua, los resultados de la dispersión de rayos X proporcionan «una pieza más de evidencia en su apoyo», dice.
No hay duda de que Nilsson y Pettersson se enfrentan aún a una dura oposición, pero la recompensa de lograr una comprensión global de la estructura del agua líquida podría ser considerable. Esto podría conducir a una mejor comprensión de cómo interactúan las drogas y las proteínas con las moléculas de agua dentro del cuerpo, por ejemplo, y ofrecernos medicamentos más eficaces. Y al darnos una mejor idea de cómo se comporta el agua alrededor de estrechos poros podríamos mejorar los intentos de desalación del agua y así aumentar el acceso al agua potable.
«Se necesita una investigación adicional de muchos grupos diferentes antes de que puede terminar este viaje emocionante e importante». ¿Con tanto que ganar, quién podría estar en desacuerdo?
Agua extrema
La estructura dual del agua propuesta por Anders Nilsson de la Universidad de Stanford, California, y Lars Pettersson de la Universidad de Estocolmo, en Suecia, puede ser un eco fantasmal de las extrañas propiedades del agua superenfriada, que ha sido enfriada a menos de 0 ° C, sin congelarse .
Eugene Stanley, de la Universidad de Boston, y sus colegas, han dicho que ellos afirman hace rato que a temperaturas inferiores a -50 ° C y a presiones de más de 1.000 veces la presión atmosférica, deberían existir distintas formas de densidad alta y baja del agua superenfriada. Varios grupos de investigación afirman que han encontrado evidencias de estas dos estructuras.
Stanley, sin embargo, cree que debe haber pequeños pero perceptibles rastros de este comportamiento a altas temperaturas también, dadas las fluctuaciones en la que se ven en la densidad del agua. Efectivamente, el tamaño de las fugaces regiones de alta y baja densidad que se han visto en los experimentos de dispersión de rayos X de Nilsson y Pettersson son consistentes con las predicciones de su teoría.
Sin embargo, el físico Alan Soper, en el Laboratorio Rutherford Appleton en Oxfordshire, Reino Unido, no está convencido de que estas diferencias de densidad sean otra cosa que las fluctuaciones de densidad que pueden ocurrir en cualquier líquido.
El quid de la esta controversia se refiere a la precisa distribución estadística de las regiones de diferente densidad. Según el modelo de Nilsson y Pettersson, debe haber picos en dos densidades distintas, pero Soper cree que sólo es posible una distribución continua.
Fuente: New Scientist. Aportado por Eduardo J. Carletti
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