El agua se puede mantener l¨ªquida hasta los 48 grados bajo cero

El agua tan abundante en el universo, esencial para la vida en el planeta Tierra, el principal componente del cuerpo humano, elemento omnipresente en oc¨¦anos, glaciares, r¨ªos y atm¨®sfera, ya sea en estado l¨ªquido, s¨®lido o gaseoso, sigue encerrando muchos secretos para los cient¨ªficos. Por ejemplo: ?Qu¨¦ es lo que determina la m¨ªnima temperatura a la que se puede enfriar el agua antes de congelarse formando hielo? Dos cient¨ªficas de Estados Unidos afirman haber encontrado la respuesta y explican que el agua superfr¨ªa puede mantenerse l¨ªquida hasta una temperatura de 48 grados cent¨ªgrados bajo cero, muy lejos de los cero grados que se considera normalmente el punto de congelaci¨®n.

La investigaci¨®n es importante para las proyecciones de cambio clim¨¢tico

En el estudio se ha modelizado el comportamiento de 32.768 mol¨¦culas

Adem¨¢s, han averiguado que la formaci¨®n del hielo no est¨¢ controlada exclusivamente por la temperatura, sino que desempe?an un papel esencial los cambios f¨ªsicos que se producen en la estructura molecular del agua. Emily B. Moore y Valeria Molinero, investigadoras del departamento de Qu¨ªmica de la Universidad de Utah en Salt Lake City (EE UU), explican su investigaci¨®n, basada en modelizaci¨®n de los procesos de agua en ordenador, en el ¨²ltimo n¨²mero de la revista Nature. "Hemos resuelto un rompecabezas muy antiguo acerca de lo que sucede en el agua superfr¨ªa", afirma Molinero.

La investigaci¨®n no solo destaca en el ¨¢mbito de la ciencia b¨¢sica, sino que tiene implicaciones pr¨¢cticas importantes. Por ejemplo, el saber c¨®mo y por qu¨¦ se congela el agua es un dato crucial para los especialistas en atm¨®sfera que estudian el calentamiento del planeta, porque necesitan determinar cu¨¢nta agua est¨¢ en el aire en estado l¨ªquido y cu¨¢nta est¨¢ cristalizada. Esto influye notablemente en la cantidad de radiaci¨®n solar que absorbe la atm¨®sfera terrestre y, por tanto, es una informaci¨®n clave en los modelos de cambio clim¨¢tico.

El agua l¨ªquida es una red de mol¨¦culas, cada una formada por dos ¨¢tomos de hidr¨®geno y uno de ox¨ªgeno (el cl¨¢sico H2O) unidos por lo que se denomina un enlace de hidr¨®geno. Las investigadoras de Utah explican que, dependiendo de su temperatura y su presi¨®n, el hielo de agua tiene 16 formas cristalinas en que se unen las mol¨¦culas unas con otras.

Con sus propiedades extra?as, el agua se comporta de modo muy diferente de otros l¨ªquidos. Por ejemplo, el hielo de agua flota, mientras que otras sustancias, al congelarse, se hacen m¨¢s densas y se hunden. Por eso se forma la capa helada superficial en el oc¨¦ano -en las regiones polares- mientras que se mantiene en estado l¨ªquido por debajo y a temperaturas m¨¢s templadas en las que siguen nadando los peces.

"Uno de los rompecabezas del agua a¨²n no resueltos es qu¨¦ es lo que determina la temperatura m¨ªnima a la que se puede enfriar antes de congelarse y formar hielo", escriben las investigadoras en su art¨ªculo publicado en Nature.

El nivel posible de congelaci¨®n est¨¢ muy por debajo de cero grados: se ha observado agua en estado l¨ªquido en las nubes a 40 grados bajo cero y se han hecho experimentos que demuestran que puede existir el agua l¨ªquida a 41 bajo cero.

Los cient¨ªficos saben que si el agua est¨¢ en contacto con otro material o tiene impurezas, estas act¨²an como n¨²cleos que inducen la cristalizaci¨®n del hielo, y entonces se congelar¨¢ normalmente a cero grados. Pero el agua pura, sin agentes nucleadores, puede mantenerse en estado l¨ªquido a muy bajas temperaturas antes de que se produzca el cambio de estado. "Para crear lluvia, tienes que hacer agua l¨ªquida a partir de vapor; si tienes agua l¨ªquida y quieres hacer hielo, primero tienes que formar un peque?o n¨²cleo o semilla en ese l¨ªquido", se?ala Molinero. "Cuando el agua es muy pura la ¨²nica forma de formar una semilla es por el cambio espont¨¢neo de la estructura del l¨ªquido".

El problema, destaca Nature, es que es muy dif¨ªcil estudiar qu¨¦ es lo que controla ese proceso denominado de nucleaci¨®n homog¨¦nea del hielo, ya que la cristalizaci¨®n es muy veloz en torno al punto de congelaci¨®n. De hecho, se hab¨ªa medido la tasa de cristalizaci¨®n del hielo a 41 bajo cero, pero por debajo de esa temperatura el proceso de cristalizaci¨®n es demasiado r¨¢pida.

Lo que han hecho Moore y Molinero es investigar ese proceso en condiciones extremas mediante modelizaci¨®n avanzada por ordenador partiendo de datos experimentales.

Aunque han utilizado un nuevo sistema de modelizaci¨®n de la congelaci¨®n del agua que es 200 veces m¨¢s r¨¢pido que los empleados en estudios anteriores, han necesitado miles de horas de c¨®mputo para simular el comportamiento de exactamente 32.768 mol¨¦culas de agua (muchas menos de las que forman una peque?a gota) para determinar los cambios (la capacidad t¨¦rmica, la densidad y la compresi¨®n) del agua al superenfriarse y simular la velocidad de cristalizaci¨®n del hielo.

Su resultado muestra que, al aproximarse los 48 grados bajo cero, hay un incremento notable de la proporci¨®n de mol¨¦culas de agua enlazadas a otras cuatro mol¨¦culas formando tetraedros. "El agua se est¨¢ transformando en otra cosa, y esa otra cosa es algo muy parecido al hielo, una especie de hielo intermedio", explica Molinero.

"Se produce una inusual ca¨ªda de la densidad", a?ade la investigadora, "y un igualmente inusual incremento de la capacidad t¨¦rmica y de la capacidad de compresi¨®n, lo que explica que el agua sea m¨¢s f¨¢cil de comprimir a medida que se enfr¨ªa, a diferencia de otros l¨ªquidos. Esta poco corriente termodin¨¢mica coincide con los cambios del agua l¨ªquida en la estructura de los tetraedros".

En resumen, que los cambios en la estructura f¨ªsica son los que controlan la tasa de formaci¨®n del hielo a partir de agua l¨ªquida y que 48 bajo cero es la temperatura m¨¢s baja a la que puede permanecer el agua antes de congelarse obligatoriamente.