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    La tetraédrica es clave para la singularidad del agua

    Una imagen de la estructura de clatrato (Si34) de un líquido tipo agua formado a presión negativa (izquierda) y el diagrama de fase en función de la fuerza de la tetraédricaidad λ y la presión P. Crédito:2018 Hajime Tanaka, Instituto de Ciencias Industriales, La universidad de tokio

    Un equipo de investigación con sede en Japón ha estudiado el comportamiento anómalo de líquidos tetraédricos como el agua. Mediante simulación por computadora, calcularon los diagramas de fase de una gama de líquidos modelo. Variando un parámetro llamado lambda (λ), que controla la cantidad de estructura tetraédrica en el líquido, encontraron que los líquidos con mayor λ mostraban más anomalías, como la expansión a baja temperatura. El valor del agua de λ maximiza el efecto de la tetraédrica, de ahí sus propiedades especialmente inusuales.

    El agua ocupa un lugar especial entre los líquidos por sus propiedades inusuales, y sigue siendo poco conocido. Por ejemplo, se expande justo al congelarse hasta convertirse en hielo, y se vuelve menos viscoso bajo compresión, alrededor de la presión atmosférica. Racionalizar estas rarezas es un gran desafío para la física y la química. Una investigación reciente dirigida por el Instituto de Ciencias Industriales (IIS) de la Universidad de Tokio sugiere que son el resultado del grado de ordenamiento estructural en el fluido.

    El agua pertenece a una clase de líquidos cuyas partículas forman estructuras tetraédricas locales. La tetraédricaidad del agua es consecuencia de los enlaces de hidrógeno entre moléculas, que están restringidos a direcciones fijas. En un estudio en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ), los investigadores investigaron por qué las propiedades físicas del agua expresadas por su diagrama de fase son tan notables, incluso en comparación con otros líquidos tetraédricos, como el silicio y el carbono.

    Los líquidos tetraédricos a menudo se simulan mediante un potencial energético llamado modelo SW. Se supone que el líquido contiene dos fases en equilibrio termodinámico:un estado desordenado que tiene una alta simetría rotacional, y un estado tetraédrico ordenado que no lo hace. A pesar de su sencillez, el modelo predice con precisión comportamientos líquidos anómalos. La propiedad de dos estados está controlada por el parámetro lambda (λ), que describe la fuerza relativa de las interacciones intermoleculares por pares y de tres cuerpos. Cuanto mayor sea λ, aumenta el grado de orden tetraédrico.

    "Nos dimos cuenta de que λ, que es bastante grande para el agua, fue clave para la singularidad de estos líquidos, "dice el coautor principal del estudio, John Russo." Efectivamente, λ controla el grado de tetraédrica:a medida que λ aumenta, las capas tetraédricas que se forman alrededor de cada molécula se vuelven energéticamente más estables. Por eso, estos caparazones superan la desfavorable pérdida de entropía que acompaña a la creación del orden. "Los tetraedros locales se asemejan a estructuras de estado sólido, razón por la cual los líquidos con alto contenido de λ cristalizan más fácilmente.

    Ajustando continuamente λ, simularon un conjunto de diagramas de fase para modelar lo que sucede cuando un líquido "simple" se vuelve progresivamente más parecido al agua. Con λ creciente, las diversas anomalías termodinámicas y dinámicas de los líquidos tetraédricos, como la expansión a baja temperatura y la ruptura de la ley estándar de Arrhenius para la difusión, se hicieron más pronunciadas.

    Sin embargo, no era tan simple como "más tetraedros equivale a un comportamiento más extraño". La influencia de la tetraédricaidad se maximizó para el agua, que tiene λ =23.15. Aquí arriba el comportamiento de la densidad en función de la temperatura se acercó de nuevo a la normalidad, porque la diferencia de volumen entre estados ordenados y desordenados comenzó a disminuir. Por lo tanto, el agua tiene un valor exquisitamente ajustado o "Ricitos de oro" de λ que le permite cambiar fácilmente entre el orden y la aleatoriedad. Esto le da una alta flexibilidad estructural en respuesta a cambios de temperatura o presión, que es el origen de su comportamiento único.

    "Vinculando propiedades observables, como la viscosidad a estructuras microscópicas, de eso se trata la química física, "dice el coautor principal Hajime Tanaka." Agua, la sustancia más abundante y, sin embargo, más inusual en la tierra, ha sido durante mucho tiempo la última frontera a este respecto. Estuvimos encantados de que un simple, modelo bien conocido puede explicar completamente la extrañeza del agua, que surge del delicado equilibrio entre orden y desorden en el líquido ".

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