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Un nuevo tipo de "transición de fase" en el agua se propuso por primera vez hace 30 años en un estudio realizado por investigadores de la Universidad de Boston. Sin embargo, debido a que se ha pronosticado que la transición ocurrirá en condiciones sobreenfriadas, confirmar su existencia ha sido un desafío. Eso es porque a estas bajas temperaturas, el agua realmente no quiere ser un líquido, sino que quiere convertirse rápidamente en hielo. Debido a su estado oculto, todavía se desconoce mucho sobre esta transición de fase líquido-líquido, a diferencia de los ejemplos cotidianos de transiciones de fase en el agua entre una fase sólida o de vapor y una fase líquida.
Esta nueva evidencia, publicada en Nature Physics , representa un importante paso adelante en la confirmación de la idea de una transición de fase líquido-líquido propuesta por primera vez en 1992. Francesco Sciortino, ahora profesor en la Sapienza Università di Roma, fue miembro del equipo de investigación original en la Universidad de Boston y también es co -autor de este artículo.
El equipo ha utilizado simulaciones por computadora para ayudar a explicar qué características distinguen a los dos líquidos a nivel microscópico. Descubrieron que las moléculas de agua en el líquido de alta densidad forman arreglos que se consideran "topológicamente complejos", como un nudo de trébol (piense en las moléculas dispuestas de tal manera que se asemejan a un pretzel) o un enlace de Hopf ( piense en dos eslabones de una cadena de acero). Por lo tanto, se dice que las moléculas en el líquido de alta densidad están entrelazadas.
Por el contrario, las moléculas en el líquido de baja densidad en su mayoría forman anillos simples y, por lo tanto, las moléculas en el líquido de baja densidad no están entrelazadas.
Andreas Neophytou, un Ph.D. estudiante de la Universidad de Birmingham con el Dr. Dwaipayan Chakrabarti, es el autor principal del artículo. Él dice:"Esta información nos ha brindado una visión completamente nueva de lo que ahora es un problema de investigación de 30 años y, con suerte, será solo el comienzo".
Los investigadores utilizaron un modelo coloidal de agua en su simulación, y luego dos modelos moleculares de agua ampliamente utilizados. Los coloides son partículas que pueden ser mil veces más grandes que una sola molécula de agua. En virtud de su tamaño relativamente mayor y, por lo tanto, de movimientos más lentos, los coloides se utilizan para observar y comprender fenómenos físicos que también ocurren en escalas de longitud atómica y molecular mucho más pequeñas.
Anomalías termodinámicas y LLCP en agua coloidal. un , Esquema del autoensamblaje jerárquico de partículas irregulares tribloque que conducen a un modelo coloidal de agua. Los dos parches, etiquetados A y B, son de diferentes tamaños y forman enlaces de diferente fuerza. Los parches A (rojos) forman enlaces más fuertes que los parches B (azules) para codificar el ensamblaje en dos etapas al enfriarse. b , La evolución de la densidad reducida ρ ⋆ en función de la temperatura reducida T ⋆ para diferentes presiones reducidas P ⋆ , donde P ⋆ × 10 3 = 5, 6, 7, 7.5, 8.5, 9, 10, 12, 14 y 16. La flecha indica la dirección de aumento P ⋆ . El recuadro destaca la densidad máxima para P ⋆ × 10 3 = 5, 6, 7 y 7,5. c , La evolución del coeficiente de expansión térmica reducido (α⋆PαP⋆{\alpha }_{P}^{\star}), compresibilidad isotérmica (κ⋆TκT⋆{\kappa }_{T}^{\star}) y la capacidad calorífica isobárica (c⋆PcP⋆{c}_{P}^{\star}) como funciones de T ⋆ en P ⋆ = 0.0085 (cerca de la presión crítica). Las barras de error representan la desviación estándar en cinco conjuntos de trayectorias Monte Carlo, cada una de 1 × 10 8 ciclos d , La dependencia de ρ ⋆ y la fracción de enlaces BB formados (f b ) en P ⋆ en T ⋆ = 0,105 y T ⋆ = 0.112. e , La distribución del parámetro de orden M para agua coloidal (símbolos azules), calculada mediante la repetición del pesaje del histograma, con T ⋆ ≈ 0,1075, P ⋆ ≈ 0.0082 y s ≈ 0,627, en comparación con la distribución universal 3D Ising correspondiente (línea roja continua). Crédito:Física de la naturaleza (2022). DOI:10.1038/s41567-022-01698-6
El Dr. Chakrabarti, coautor, dice:"Este modelo coloidal de agua proporciona una lupa en el agua molecular y nos permite desentrañar los secretos del agua relacionados con la historia de dos líquidos".
El profesor Sciortino dice:"En este trabajo, proponemos, por primera vez, una vista de la transición de fase líquido-líquido basada en ideas de entrelazamiento de redes. Estoy seguro de que este trabajo inspirará nuevos modelos teóricos basados en conceptos topológicos".
El equipo espera que el modelo que han ideado allane el camino para nuevos experimentos que validen la teoría y extiendan el concepto de líquidos "entrelazados" a otros líquidos como el silicio.
Pablo Debenedetti, profesor de ingeniería química y biológica en la Universidad de Princeton en los EE. UU. y un experto líder mundial en esta área de investigación, comenta:"Este hermoso trabajo computacional descubre la base topológica que subyace a la existencia de diferentes fases líquidas en la misma red. -sustancia formadora.
"Al hacerlo, enriquece y profundiza sustancialmente nuestra comprensión de un fenómeno que la abundante evidencia experimental y computacional sugiere cada vez más que es fundamental para la física del más importante de los líquidos:el agua".
Christian Micheletti, profesor de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados en Trieste, Italia, cuyo interés de investigación actual radica en comprender el impacto del entrelazamiento, especialmente los nudos y enlaces, en la estática, la cinética y la funcionalidad de los biopolímeros, dice:"Con este artículo único , Neophytou et al. lograron varios avances que tendrán consecuencias en diversas áreas científicas.
"Primero, su modelo coloidal elegante y experimentalmente manejable para el agua abre perspectivas completamente nuevas para los estudios de líquidos a gran escala. Más allá de esto, brindan evidencia muy sólida de que las transiciones de fase que pueden ser difíciles de alcanzar para el análisis tradicional de la estructura local de los líquidos son, en cambio, se detecta fácilmente mediante el seguimiento de los nudos y enlaces en la red de enlaces del líquido.
"La idea de buscar tales complejidades en el espacio algo abstracto de las vías que se ejecutan a lo largo de los enlaces moleculares transitorios es muy poderosa, y espero que sea ampliamente adoptada para estudiar sistemas moleculares complejos".
Sciortino dice:"El agua, una tras otra, revela sus secretos. Sueña lo hermoso que sería si pudiéramos mirar dentro del líquido y observar el baile de las moléculas de agua, la forma en que parpadean y la forma en que intercambian socios, reestructurando la red de enlaces de hidrógeno. La realización del modelo coloidal para el agua que proponemos puede hacer realidad este sueño". Un nuevo método examina la interfaz gas-líquido con nuevos detalles
