Normalmente consideramos que el agua líquida está desordenada y las moléculas se reorganizan en una escala de tiempo corta alrededor de una estructura promedio. Ahora, sin embargo, Los científicos de la Universidad de Estocolmo han descubierto dos fases del líquido con grandes diferencias en estructura y densidad. Los resultados se basan en estudios experimentales que utilizan rayos X, que ahora se publican en Actas de la Academia Nacional de Ciencias (NOSOTROS).

La mayoría de nosotros sabemos que el agua es esencial para nuestra existencia en el planeta Tierra. Es menos conocido que el agua tiene muchas propiedades extrañas o anómalas y se comporta de manera muy diferente a todos los demás líquidos. Algunos ejemplos son el punto de fusión, la densidad, la capacidad calorífica, y en general, hay más de 70 propiedades del agua que se diferencian de la mayoría de los líquidos. Estas propiedades anómalas del agua son un requisito previo para la vida tal como la conocemos.

"La nueva propiedad notable es que encontramos que el agua puede existir como dos líquidos diferentes a bajas temperaturas donde la cristalización del hielo es lenta", dice Anders Nilsson, profesor de Física Química en la Universidad de Estocolmo. El gran avance en la comprensión del agua ha sido posible a través de una combinación de estudios que utilizan rayos X en el Laboratorio Nacional Argonne cerca de Chicago. donde se evidenciaron las dos estructuras diferentes y en el gran laboratorio de rayos X DESY en Hamburgo, donde se pudo investigar la dinámica y se demostró que las dos fases, de hecho, ambas eran fases líquidas. Por tanto, el agua puede existir como dos líquidos diferentes.

"Es muy emocionante poder utilizar rayos X para determinar las posiciones relativas entre las moléculas en diferentes momentos", dice Fivos Perakis, postdoctorado en la Universidad de Estocolmo con experiencia en espectroscopia óptica ultrarrápida. En particular, hemos podido seguir la transformación de la muestra a bajas temperaturas entre las dos fases y hemos demostrado que existe una difusión típica de los líquidos ”.

Cuando pensamos en el hielo, lo más común es que sea como un fase cristalina que se saca de la hielera, pero la forma más común de hielo en nuestro sistema planetario es amorfa, que esta desordenado, y hay dos formas de hielo amorfo con baja y alta densidad. Las dos formas pueden interconvertirse y se ha especulado que pueden estar relacionadas con formas de agua líquida de baja y alta densidad. Investigar experimentalmente esta hipótesis ha sido un gran desafío que ahora el grupo de Estocolmo ha superado.

"He estudiado los helados amorfos durante mucho tiempo con el objetivo de determinar si pueden considerarse un estado vítreo que representa un líquido congelado", dice Katrin Amann-Winkel, investigador en Física Química en la Universidad de Estocolmo. "Es un sueño hecho realidad seguir con tanto detalle cómo un estado vítreo del agua se transforma en un líquido viscoso que casi inmediatamente se transforma en otro diferente, aún más viscoso, líquido de mucha menor densidad ".

"La posibilidad de hacer nuevos descubrimientos en el agua es totalmente fascinante y una gran inspiración para mis estudios posteriores", dice Daniel Mariedahl, Estudiante de doctorado en Física Química en la Universidad de Estocolmo. "Es particularmente emocionante que la nueva información haya sido proporcionada por rayos X desde el pionero de la radiación de rayos X, Wilhelm Conrad Röntgen, él mismo especuló que el agua puede existir en dos formas diferentes y que la interacción entre ellas podría dar lugar a sus extrañas propiedades ".

"Los nuevos resultados dan un fuerte apoyo a una imagen en la que el agua a temperatura ambiente no puede decidir en cuál de las dos formas debería estar, alta o baja densidad, lo que da lugar a fluctuaciones locales entre los dos ", dice Lars G.M. Pettersson, profesor de Física Química Teórica en la Universidad de Estocolmo. "En pocas palabras:el agua no es un líquido complicado, sino dos líquidos simples con una relación complicada ".

Estos nuevos resultados no solo crean una comprensión general del agua a diferentes temperaturas y presiones, pero también cómo el agua se ve afectada por sales y biomoléculas importantes para la vida. Además, La mayor comprensión del agua puede conducir a nuevos conocimientos sobre cómo purificar y desalinizar el agua en el futuro. Este será uno de los principales desafíos para la humanidad ante el cambio climático global.