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    Solución al comportamiento misterioso del agua sobreenfriada

    Figura 1. (Izquierda) El agua sobreenfriada se congela con descargas (Copyright:Takeshi Fujino, Corporación KOWA, Niigata, Japón) (Derecha) Instantánea de agua sobreenfriada calculada a partir de nuestras simulaciones por computadora (rojo:oxígeno, blanco:hidrógeno, enlace amarillo:enlace de hidrógeno). Crédito:Universidad de Osaka

    Cuando Einstein estaba preparando su doctorado, fue uno de los primeros en explicar cómo las partículas exhiben movimientos aleatorios en los fluidos. La difusión es un proceso físico importante y la relación de Stokes-Einstein describe cómo las partículas se difunden a través de un fluido según la teoría hidrodinámica. Pero misteriosamente a bajas temperaturas por debajo de la temperatura de fusión, algo cambia en los líquidos sobreenfriados y el comportamiento vítreo altamente viscoso resultante ya no puede explicarse por la simple relación de Stokes-Einstein.

    Ahora, dos investigadores de la Universidad de Osaka y la Universidad de Nagoya han simulado agua sobreenfriada con un detalle sin precedentes para explicar el comportamiento anómalo a bajas temperaturas. Recientemente publicaron sus hallazgos en Avances de la ciencia .

    "La mayoría de los líquidos obedecen a la ecuación de Stokes-Einstein en un amplio rango de temperaturas, pero se encuentran algunos cambios inesperados en el comportamiento en el agua sobreenfriada y otros materiales vidriosos, "coautor Kang Kim, de la Universidad de Osaka, dice. "La ruptura del comportamiento de Stokes-Einstein sugiere algún tipo de movimientos moleculares anómalos incluso en estado líquido, pero no está claro cuáles son esos comportamientos ".

    La relación simple de Stokes-Einstein se basa en argumentos sobre cómo las moléculas se mueven aleatoriamente a nivel microscópico. Pero en agua sobreenfriada, las moléculas comienzan a ralentizarse de forma irregular. Los investigadores demostraron mediante simulaciones que algunas regiones del agua se ven más afectadas que otras, formando puentes de hidrógeno de forma heterogénea con solidificación parcial.

    Las moléculas de agua se mueven a través del agua viscosa superenfriada en saltos relacionados con la ruptura del enlace de hidrógeno. La sincronización errática de este tipo de movimiento no se explica por la ecuación de Stokes-Einstein.

    Figura 2. En el agua superenfriada, dos moléculas de agua unidas por hidrógeno (rojo:oxígeno, blanco:hidrógeno) exhiben movimientos de salto con rotura de enlaces de hidrógeno. Las otras moléculas de agua están coloreadas de azul claro. Los enlaces de hidrógeno están coloreados de amarillo. Crédito:Universidad de Osaka

    Sus simulaciones les permitieron examinar cómo la red de enlaces de hidrógeno del agua sobreenfriada cambió con el tiempo. Su modelo mostró claramente que los tiempos intermitentes de ruptura de los enlaces de hidrógeno contribuyeron a la ruptura del comportamiento de Stokes-Einstein.

    "Hay implicaciones físicas interesantes de estos hallazgos, ya que la violación de Stokes-Einstein se considera una anomalía hidrodinámica de muchos sistemas de materiales vítreos, ", Dice Kim." Nuestras simulaciones ayudan a responder preguntas sobre lo que sucede en agua pura superenfriada y también podrían ayudar a explicar otros comportamientos dinámicos en otros materiales vidriosos tecnológicamente importantes ".

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