Un equipo cient¨ªfico enfr¨ªa agua hasta 43 grados bajo cero sin congelarla

En el laboratorio, el agua se puede enfriar muy por debajo de cero grados cent¨ªgrados sin que congele. Te¨®ricamente hasta 48 grados bajo cero, si est¨¢ completamente libre de impurezas, pero nadie ha llegado a esa cifra. A temperaturas tan bajas, las mol¨¦culas de H₂O pierden energ¨ªa y se empiezan a ordenar en tetraedros, de manera que el m¨ªnimo contacto con una superficie o la presencia de una min¨²scula part¨ªcula que act¨²e como n¨²cleo precipitan la formaci¨®n repentina de una estructura cristalina: el hielo. Quienes estudian este fen¨®meno llaman ¡°tierra de nadie¡± a la fase l¨ªquida del agua por debajo de -40?C, por la dificultad de acceder a ella experimentalmente. Ahora, un equipo internacional de f¨ªsicos ha logrado enfriar agua l¨ªquida hasta 43 grados bajo cero, y lo demuestra con un m¨¦todo original muy preciso para medir la temperatura.

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El estudio, que aparece en el ¨²ltimo n¨²mero de la revista Physical Review Letters, no es un mero pasatiempo. El agua subenfriada ¡ªcomo se llama cuando permanece en estado l¨ªquido por debajo del punto de congelaci¨®n¡ª existe en la naturaleza, y su presencia influye en la cantidad de radiaci¨®n solar que absorbe la Tierra. ¡°Existen gotas min¨²sculas de agua subenfriada a temperaturas que alcanzan los 238 K [unos -35?C] en las nubes m¨¢s altas de la atm¨®sfera. Una descripci¨®n precisa de la formaci¨®n del hielo atmosf¨¦rico podr¨ªa ayudar a desarrollar modelos clim¨¢ticos m¨¢s fiables¡±, escriben los autores.

Para el experimento inyectaron un hilo fin¨ªsimo de agua pura en una c¨¢mara de vac¨ªo. Al agitar la boquilla de la fuente con una frecuencia determinada, el tren de agua se rompe en gotitas id¨¦nticas, de unas seis micras de di¨¢metro. Seg¨²n viajan por la c¨¢mara, a 72 kil¨®metros por hora, las gotas van menguando por evaporaci¨®n superficial. Como esto ocurre a costa de la energ¨ªa t¨¦rmica encerrada en el agua, la temperatura de las gotas disminuye dram¨¢ticamente conforme estas pierden volumen. As¨ª, el l¨ªquido que entr¨® a temperatura ambiente alcanza los 43 grados bajo cero en apenas unos cent¨ªmetros de viaje. Finalmente se congela, antes de chocar contra la pared de la c¨¢mara.

Los cient¨ªficos focalizaron un haz l¨¢ser sobre las gotas para medir su temperatura

Los cient¨ªficos calcularon la temperatura de las gotas en cada punto del trayecto ¡ªcon un error de 0,6 grados¡ª ilumin¨¢ndolas con un haz l¨¢ser focalizado y analizando el espectro de luz dispersado por el agua. Las gotas de agua l¨ªquida son esferas perfectas debido a su tensi¨®n superficial; esto hace que amplifiquen ciertas frecuencias lum¨ªnicas (que son resonantes con su di¨¢metro) pero no otras, dando unos picos caracter¨ªsticos en el espectro de dispersi¨®n que permiten calcular muy precisamente su dimensi¨®n. ¡°Por el tama?o sabemos cu¨¢nta agua se va evaporando, y con esto sabemos el enfriamiento que ha tenido que producirse¡±, explica el investigador del Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC) Jos¨¦ Mar¨ªa Fern¨¢ndez, que es uno de los autores del estudio.

Cuando los picos desaparecen del espectro de luz, los cient¨ªficos saben que el agua se ha congelado, porque la estructura cristalina del hielo produce fracturas y caras poli¨¦dricas en la esfera que rompen la resonancia de las ondas lum¨ªnicas. ¡°El agua es un l¨ªquido con propiedades muy an¨®malas por la estructura de puentes de hidr¨®geno que se forma entre las mol¨¦culas¡±, dice Fern¨¢ndez, ¡°pero no se dispone de una explicaci¨®n detallada a nivel molecular¡±. Estos puentes de hidr¨®geno son los que permiten que el agua sea l¨ªquida a temperatura ambiente cuando, por la posici¨®n de sus elementos (ox¨ªgeno e hidr¨®geno) en la tabla peri¨®dica, cabr¨ªa esperar que fuese gas, como el amon¨ªaco (NH₃) o el ¨¢cido sulfh¨ªdrico (H₂S).

El estudio del agua subenfriada pretende esclarecer la naturaleza de estas estructuras moleculares, que dan al H₂O las extraordinarias caracter¨ªsticas que permiten la vida en la Tierra. Entre sus propiedades ¡°an¨®malas¡±, el agua es una sustancia pr¨¢cticamente ¨²nica por ser menos densa en estado s¨®lido que l¨ªquido, lo cual ha permitido preservar la vida bajo las superficies heladas de las grandes masas de agua durante las glaciaciones. Tambi¨¦n afecta a la vida terrestre porque el hielo que flota sobre los oc¨¦anos apenas modifica el nivel del mar.