Evidencia directa de que existen dos formas de agua líquida

Nuevos experimentos brindan lo que parece ser la observación directa de dos formas de agua líquida, que pueden interconvertirse a alta presión muy por debajo del punto de congelación normal del agua.

Los investigadores han estado buscando este supuesta transición de fase líquid-líquido desde que fuera teorizada hace 30 años por un equipo de la Universidad de Boston, y la evidencia se ha acumulado lentamente de que realmente existe.

Tal transformación entre estados líquidos de diferente densidad no ha sido observada en agua pura sino en soluciones de azúcar trehalosa, informa Chemistry World, la revista de la Royal Society of Chemistry.

Implicaciones en biología y crioconservación

Comprender cómo se comportan estas soluciones súper frías podría tener implicaciones para la biología y la crioconservación, donde debe evitarse el daño a los tejidos biológicos por los cristales de hielo, así como por los estados ricos en agua que podrían existir en las atmósferas de los gigantes gaseosos.

Los líquidos están estructuralmente desordenados, por lo que no es inmediatamente obvio cómo pueden soportar dos estructuras distintas con diferentes densidades. Pero eso parece ser posible para los líquidos en los que algún grado de enlace direccional, como los enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua adyacentes, hace posible distintas estructuras locales.

Un problema clave es que es difícil sondear profundamente en estados sobreenfriados sin que las muestras se congelen. Una forma de suprimir la congelación es hacer que el líquido se convierta en una emulsión, dispersándolo como pequeñas gotas en las que la posibilidad de que se formen cristales de hielo es menor.

En 2014, Yoshiharu Suzuki del National Institute for Materials Science en Tsukuba, Japón, en colaboración con el veterano investigador del agua Osamu Mishima, informó posibles signos de una transición líquido-líquido, que termina en un punto crítico donde los dos estados líquidos se vuelven indistinguibles, en emulsión, soluciones sobreenfriadas de glicerol. Vieron signos de dos estados desordenados distintos con diferentes densidades a una temperatura de 150K. Pero no hubo evidencia directa de que ambos fueran líquidos, en lugar de hielo amorfo.

Suzuki ahora ha explorado el mismo enfoque utilizando trehalosa como soluto, un azúcar producido como crioprotector natural por algunos organismos, como los insectos, que experimentan frío extremo, para evitar que su sangre se congele. Publica resultados en Proceedings of the National Academy of Sciences.

Presurizó soluciones emulsionadas diluidas a aproximadamente 0,6 GPa en un rango de temperaturas por debajo de 159 K y luego las descomprimió nuevamente. Esto primero forma una fase sólida vítrea, que puede transformarse en un líquido viscoso al liberar la presión. Formar primero la fase vítrea es crucial para evitar que la solución se separe en una fase rica en solutos y hielo casi puro, dice Suzuki.

Por lo general, vio un fuerte aumento en la densidad a medida que aumentaba la presión, y una fuerte caída similar en la densidad, a una presión algo más baja, en la descompresión. Estos cambios ocurren mientras la solución aún es viscosa en lugar de vidriosa, y Suzuki los interpreta como transformaciones entre un líquido de alta y baja densidad.

Esta histéresis, en la que la densidad salta a diferentes presiones en la compresión y la descompresión, es normal para una transición de primer orden en la que un parámetro como la densidad cambia de forma discontinua. Refleja el hecho de que la transición tiene que comenzar con la formación fortuita de un "núcleo" de la nueva fase, que luego crece.

Suzuki propone que la transición de equilibrio en sí se encuentra en algún lugar dentro del bucle de histéresis. El ancho del ciclo de histéresis se vuelve progresivamente más pequeño a temperaturas más altas, y la extrapolación de los resultados sugiere que podría desaparecer alrededor de 170K. Si es así, esto correspondería al punto crítico originalmente predicho para la transición líquido-líquido del agua. Pero eso será difícil de alcanzar, dice Suzuki, sin que las soluciones cristalicen.

Suzuki aún no está seguro de por qué la trehalosa estabiliza tan bien el agua contra la cristalización, en comparación con el glicerol, pero esto podría ayudar a explicar por qué la vida la usa como anticongelante.

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