Beba en este hecho:el agua es el líquido más extraño de todos.

La mayoría de los líquidos tienen comportamientos similares y predecibles. Pero a diferencia de otros fluidos, el agua es más densa como un líquido, no un sólido. La vida acuática sobrevive al invierno porque el hielo flota en lugar de hundirse y expandirse en un gran glaciar sólido. Las propiedades únicas pero extrañas del agua ayudan a mantener la vida.

Por décadas, Los científicos han estado tratando de averiguar qué pasa con el extraño comportamiento del agua. Las respuestas parecen estar en una ventana de temperaturas extremas oculta durante mucho tiempo.

En 2020, Los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) dieron un gran paso en la comprensión del fenómeno. Detallado en la revista Ciencias , El equipo utilizó una innovadora técnica de calentamiento por láser que reveló, por primera vez, los cambios a nanoescala que sufre el agua líquida superenfriada entre -117,7 grados Fahrenheit (190 K) y -18,7 grados Fahrenheit (245 K).

La técnica retiró la cortina de esta ventana de temperatura previamente envuelta donde tienen lugar los extraños y sutiles cambios estructurales del agua. El físico químico de la PNNL, Greg Kimmel, describió esta extensión inexplorada como "el juego completo para comprender la estructura del agua".

Ese juego de pelota es parte del programa de Ciencias Moleculares Interfaciales y Fase Condensada patrocinado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. El programa financia la investigación para comprender la física y la química fundamentales de los sistemas que están lejos del equilibrio, y cómo llegan al equilibrio. En este caso, ese sistema son líquidos, específicamente, agua.

"El agua es uno de los disolventes más importantes que tenemos, ", dijo Kimmel." Estamos tratando de comprender mejor cómo se comporta el agua en las interfaces, en confinamiento y en soluciones, cómo se condensa y cristaliza, etcétera ".

Las implicaciones son de gran alcance, que van desde procesos biológicos y físicos relacionados con el cambio climático, a mejores químicas para la energía y el procesamiento nuclear, a nuevos medicamentos para combatir enfermedades.

Los investigadores en todas estas áreas pronto se codearán en el Centro de Ciencias de la Energía de PNNL, programado para abrir a finales de 2021. El nuevo 140, El lugar de 000 pies cuadrados albergará hasta 250 teóricos, experimentalistas, científicos visitantes, y personal de apoyo, por no hablar de la última instrumentación científica. Kimmel y sus colegas esperan trabajar en el entorno colaborativo mientras se concentran en el agua superenfriada con el láser.

Una cuestión de equilibrio, o no

"A medida que baja la temperatura, la mayoría de las moléculas líquidas se compactan muy juntas y son muy densas. Pero por debajo de 39 grados Fahrenheit, el agua es todo lo contrario, "explicó Loni Kringle, quien trabajó como investigador postdoctoral con el equipo de Kimmel en los estudios del agua sobreenfriada. "Las moléculas de agua forman enlaces tetraédricos que ocupan mucho espacio. A medida que el agua se enfría, se expande y disminuye su densidad. "Piense en cubitos de hielo saliendo de su bandeja.

Los científicos comprenden muy bien este panorama general, pero ¿cómo sucede en detalle? No tanto.

El agua que permanece en forma líquida muy por debajo del punto de congelación normal, llamada agua sobreenfriada, está lejos del verdadero equilibrio. el estado más estable. Si su estructura no cambia, el agua se encuentra en un estado denominado metaestable. Los experimentos de Kimmel y su equipo midieron la velocidad a la que el agua superenfriada se relaja desde su configuración inicial hasta el "equilibrio metaestable" antes de cristalizar.

"Si desea que su material alcance el equilibrio o no, depende de las propiedades que desee que tenga, "explicó Kimmel, utilizando residuos radiactivos como ejemplo. "Si desea capturar y mantener núcleos radiactivos, quieres mantener un vaso, no es un material cristalino, que puede hacer crecer granos y expulsar impurezas de la superficie. Eso sería un problema."

De los desechos que eructan al agua sobreenfriada

Kimmel se unió a PNNL en 1992 para estudiar las reacciones responsables de la acumulación y liberación repentina de gas hidrógeno de los desechos nucleares almacenados en tanques subterráneos en el sitio Hanford del DOE. Simuló el proceso de "eructos" disparando electrones a finas películas de agua.

Su trabajo se alineó bien con la investigación del compañero científico de PNNL Bruce Kay sobre la estructura y la cinética de las películas en las interfaces. observando cómo se desorbe el agua y se libera energía en un rango de temperaturas. Los dos científicos persiguieron la idea de probar el calentamiento con láser para medir la velocidad a la que el agua se cristaliza y se difunde.

Existían teorías sobre transformaciones estructurales reversibles antes de que el agua cristalizara, a temperaturas por encima de -171 grados Fahrenheit (160 K) y por debajo de -36 grados Fahrenheit (235 K), pero no hubo evidencia. Los experimentos anteriores saltaron sobre el lapso.

"Ese rango de temperatura es muy difícil de alcanzar y controlar experimentalmente, y eso es lo que superó la técnica de calentamiento por pulsos, ", explicó Kringle. Trabajó junto a otra investigadora postdoctoral, Wyatt Thornley, para realizar los experimentos y ayudar a analizar los datos.

La investigación de seguimiento del equipo, publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias en abril, examinó "el meollo de la cinética:cómo las películas de agua se relajan en dos motivos estructurales, ", dijo Kringle." Analizamos los detalles de los cambios estructurales, ir más allá de las observaciones cualitativas calculando las diferencias al comenzar con temperaturas altas o bajas, luego comparar los resultados con los modelos de la literatura ".

Nuevas direcciones de investigación

En el futuro, el equipo planea trabajar con la profesora de la Universidad de Utah, Valeria Molinero, para comprender mejor la cinética y la dinámica que ocurren durante los experimentos de calentamiento por pulsos. Molinero es experto en simulaciones de dinámica molecular de sistemas acuosos.

Colaboraciones como esta encarnan la visión detrás del Centro de Ciencias de la Energía. Los investigadores ya están pensando en las diferentes direcciones que podría llevarles el nuevo lugar y su técnica de calentamiento por pulsos, y otros.

Una idea es alterar la temperatura de su experimento antes de que el agua alcance el estado de equilibrio metaestable. Este ajuste les permitiría estudiar cómo el agua "recuerda" y "envejece, "como se ve en la investigación del vidrio sobreenfriado.

Otra vía de estudio es examinar el "agua pesada" que contiene deuterio, un isótopo natural de hidrógeno. El deuterio contiene un neutrón adicional que lo hace más pesado que un átomo de hidrógeno estándar. La comparación de las interacciones a escala cuántica que ocurren en el agua pesada con el agua normal dará a los científicos más claridad sobre el extraño comportamiento del agua en comparación con otros líquidos.

Y debido a que el calentamiento por láser pulsado se presta a reacciones rápidas, otros investigadores han expresado interés en utilizar la técnica para estudios de química.

Mientras tanto, Kringle tiene sus propios planes.

"Las escalas de tiempo de nuestra técnica han sido una limitación cuando se mira el agua pura. Hice un experimento exploratorio rápido y descubrí que si agregamos otras moléculas al agua, como el monóxido de carbono, podemos cambiar la temperatura donde ocurre la transición estructural, ", dijo Kringle." Me gustaría hacer un seguimiento y ver lo que está sucediendo al final de la transición. Esto proporcionará información sobre la solubilidad de las otras moléculas que estamos agregando ".

Kringle, que también es un apasionado de la educación y la divulgación STEM, ahora es un científico permanente, unirse a Kimmel y Kay en la División de Ciencias Físicas de PNNL, dirigido por Wendy Shaw.

"Loni es un gran ejemplo de la próxima generación de científicos e ingenieros que llevarán la batuta del descubrimiento científico al futuro, no solo en PNNL y el nuevo Energy Science Center, pero en instituciones de investigación de todo el país, "dijo Shaw.