La investigación, hecha posible por el láser de rayos X del SLAC’s Linac Coherent Light Source (LCLS) ha informado el 18 de junio en Nature, que abre una nueva ventana a la exploración del agua líquida en estas exóticas condiciones, y se compromete a mejorar nuestra comprensión de sus propiedades únicas en temperaturas y estados más naturales que son relevantes para las corrientes oceánicas globales, el clima y la biología.
Los científicos han sabido desde hace tiempo que el agua puede permanecer en estado líquido a temperaturas extremadamente bajas, pero nunca han sido capaces antes de examinar su estructura molecular en esa zona.
“El agua no sólo es esencial para la vida tal como la conocemos, sino que también tiene propiedades muy extrañas en comparación con la mayoría de otros líquidos”, reseñaba Anders Nilsson, director adjunto del SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, un instituto adjunto al SLAC/Stanford, y líder de la investigación. “Ahora, gracias a LCLS, hemos podido entrar finalmente en esta zona fría que debiera proporcionar nueva información sobre la naturaleza única del agua.”
No es el típico líquido
A pesar de su simple estructura molecular, el agua tiene muchos rasgos
extraños: su forma sólida es menos densa que su forma líquida, que es la razón por la que el hielo flota, puede absorber una gran cantidad de calor, que se transportado a largas distancias por las corrientes oceánicas y tiene un profundo impacto en el clima, y ese denso perfil tan peculiar impide que los océanos y lagos no se congelen hasta el fondo, permitiendo a los peces sobrevivir en invierno.
Estos rasgos se amplifican cuando el agua purificada se sobre-enfría. Cuando el agua es muy pura, no hay manera de que se formen cristales de hielo, eso permite que el agua pueda permanecer líquida a temperaturas mucho más bajas de lo normal. El rango de temperatura del agua de alrededor de -41 a -113 ºC se ha llamado ‘tierra de nadie’. Durante décadas los científicos han tratado de explorar mejor lo que ocurre con las moléculas de agua a temperaturas por debajo de -41 ºC, pero tenían que depender en gran medida de la teoría y el modelado.
Velocidades de obturación de femtosegundos
Ahora el LCLS, con pulsos de láser de rayos X de sólo la 4 mil billonésima parte de un segundo de duración, permite a los investigadores capturar instantáneas que muestran la estructura molecular detallada del agua en esta zona misteriosa, justo antes de que se congele. La investigación demostró que la estructura molecular del agua se transforma continuamente, a medida que entra en este ámbito, y con el enfriamiento adicional los cambios estructurales se aceleran de forma más espectacular que lo que habían predicho los modelos teóricos.
En este experimento, los investigadores produjeron un flujo constante de pequeñas gotas de agua en una cámara de vacío. Conforme las gotas viajaban hacia el haz de láser, algo de su líquido se evaporaba rápidamente, sobreenfriando el líquido restante. (El mismo proceso que nos enfría cuando sudamos). Mediante el ajuste de la distancia de las gotas que viajaban, los investigadores pudieron ajustar las temperaturas que alcanzaban al llegar al láser de rayos X.
Más frío aún
El equipo de Nilsson espera bucear en temperaturas aún más frías donde el agua se transforma en vítrea, como sólido no cristalino. Quieren determinar lo que ocurre cuando se lleva el agua súper-enfriada a tales temperaturas, al punto crítico de sus inusuales propiedades.
“Nuestro sueño es continuar con el estudio de estas dinámicas”, dijo Nilsson. “Con el tiempo nuestra comprensión de lo que está pasando ahí, en la ‘tierra de nadie’, nos ayudará a entender el agua, de manera fundamental, en todas las condiciones.”
- Fuente: DOE/SLAC National Accelerator Laboratory.
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