El agua puede parecer aburrida, pero es mucho más extraña de lo que parece. Científicos en Japón han demostrado ahora que cuando están confinadas en espacios reducidos, las moléculas de agua pueden comportarse como un sólido y un líquido simultáneamente.
Las diferencias entre el agua líquida y el hielo que experimentamos a escala macro comienzan en la escala micro. En el hielo, las moléculas están encerradas en estructuras rígidas, mientras que en el agua, esencialmente flotan libremente, formando y rompiendo enlaces constantemente.
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En el peculiar estado descrito en el nuevo artículo, las moléculas hacen ambas cosas. Están en una posición fija, como el hielo, pero giran rápidamente como lo harían en un líquido. Esta condición, conocida como estado de prefusión, ha eludido previamente el estudio directo.
“El estado de prefusión implica la fusión del H2O con enlaces de hidrógeno incompletos antes de que la estructura de hielo completamente congelada comience a derretirse durante el proceso de calentamiento”, dice Makoto Tadokoro, químico de la Universidad de Ciencias de Tokio.
“Básicamente, constituye una nueva fase del agua en la que coexisten capas de H2O congeladas y H2O que se mueve lentamente”.
Ver este extraño estado requirió una compleja configuración experimental. Para empezar, el agua no era del tipo al que estamos acostumbrados en la vida cotidiana: es lo que se conoce como “agua pesada”, donde los átomos de hidrógeno se intercambian por deuterio, un isótopo de hidrógeno que contiene un neutrón en su núcleo.
Este “D2O” quedó entonces confinado en un espacio extremadamente reducido, donde emergen todo tipo de comportamientos exóticos. Los investigadores crearon cristales en forma de varilla con pequeños canales hidrófilos de sólo 1,6 nanómetros de ancho, congelaron el agua pesada que contenían y los volvieron a calentar lentamente.
Finalmente, observaron todo el proceso mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) de deuterio en estado sólido estático. Esto reveló que las moléculas estaban formando una estructura jerárquica de tres capas, con diferentes tipos de movimientos e interacciones en cada capa.
El estado previo a la fusión probablemente nos resulte más familiar como una fina película de agua que se forma en la superficie del hielo, incluso si las temperaturas todavía están por debajo del punto de congelación. Pero sucede de manera diferente en esa masa de hielo que bajo un confinamiento extremo.
Ya se sabe que el agua hace algunas cosas raras cuando se limita a la nanoescala. Sus propiedades eléctricas pueden cambiar; se puede hacer “incongelable” incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto, o puede congelarse a temperaturas que deberían hacer que hierva.
Aprovechar estas peculiaridades también podría tener usos prácticos, afirma el equipo.
“Al crear nuevas estructuras de redes de hielo, podría ser posible almacenar gases energéticos como el hidrógeno y el metano y desarrollar materiales a base de agua, como los hidratos de gas artificiales”, afirma Tadokoro.
La investigación fue publicada en el Journal of the American Chemical Society.