Un reciente estudio publicado en Nature Physics ha arrojado luz sobre el elusivo punto crítico líquido-líquido (LLCP) del agua, donde esta puede existir simultáneamente en dos formas líquidas distintas. Esta investigación abre nuevas posibilidades para validar experimentalmente esta hipótesis que ha sido objeto de debate durante décadas.
El agua es conocida por sus propiedades anómalas; a diferencia de la mayoría de los líquidos, su densidad es máxima en estado líquido y no en estado sólido, lo que permite fenómenos como que el hielo flote. Entre las características inusuales del agua, la existencia de una transición de fase líquido-líquido en condiciones de sobreenfriamiento ha sido objeto de numerosos estudios, aunque con retos significativos para su comprobación experimental.
Los coautores del estudio, el profesor Francesco Sciortino de la Universidad Sapienza de Roma y el profesor Francesco Paesani de la Universidad de California en San Diego, explican que la hipótesis sugiere que, bajo condiciones extremas de temperatura y presión, el agua podría manifestarse en dos fases líquidas: una de alta densidad y otra de baja densidad. El punto en que estas dos fases se vuelven indistinguibles se conoce como el punto crítico líquido-líquido. Sin embargo, su confirmación experimental ha sido esquiva debido a la dificultad de evitar que el agua se congele antes de alcanzar dichas condiciones.
La transición de fase líquido-líquido
Cuando el agua pura se enfría a -38°C, permanece en estado líquido a pesar de haber superado su punto de congelación a 0°C, entrando en un estado de sobreenfriamiento. En 1992, se propuso por primera vez que el agua podría experimentar una transición de fase líquido-líquido por debajo de este punto de sobreenfriamiento, existiendo en dos estados líquidos distintos.
La dificultad radica en una zona del diagrama de fases del agua donde se cristaliza instantáneamente en hielo antes de que se puedan realizar las mediciones, lo que ha llevado a los investigadores a depender en gran medida de simulaciones por ordenador para predecir el comportamiento del agua. Estudios previos han generado predicciones muy variadas sobre la ubicación del LLCP, con presiones críticas estimadas entre 36 y 270 MPa y temperaturas críticas desde -123°C hasta -23°C.
El avance en esta investigación se produjo tras una conversación entre los profesores Sciortino y Paesani sobre un potencial de muchos cuerpos impulsado por datos desarrollado por el equipo de Paesani, conocido como MB-pol. La curiosidad y el escepticismo sobre si MB-pol podría examinar rigurosamente la validez del escenario de los dos líquidos en agua profundamente sobreenfriada impulsaron este trabajo.
El modelo DNN@MB-pol, una red neuronal profunda entrenada con datos de MB-pol, permitió realizar simulaciones de dinámica molecular de microsegundos, cruciales para estudiar el agua en estados de sobreenfriamiento profundo. A través de 280 puntos de estado, que abarcan 20 temperaturas y 14 presiones, los investigadores lograron identificar evidencias directas de dos estados líquidos distintos con diferentes densidades y estructuras.
Al estudiar el agua a -85°C (188 K), se observaron fluctuaciones de densidad dramáticas en escalas de tiempo de microsegundos, donde el agua alternaba entre estados de alta y baja densidad alrededor de 101.3 MPa. Estos hallazgos confirmaron la existencia de una transición de fase de primer orden entre las dos formas líquidas del agua.
Los resultados aportan la evidencia computacional más sólida hasta la fecha sobre la existencia del LLPT en el agua, ayudando a resolver una cuestión científica que ha persistido durante más de 30 años. Los investigadores sugieren que las nanogotas de agua, que son gotas de agua de dimensiones nanométricas, podrían proporcionar una vía experimental para validar los resultados del LLPT. Se espera que técnicas de dispersión de neutrones y rayos X puedan detectar las firmas estructurales de los dos estados líquidos dentro de estas gotas confinadas.
La comprensión del comportamiento de doble estado del agua podría tener amplias implicaciones en diversos campos científicos, desde la mejora de los modelos climáticos y la predicción del tiempo, hasta la comprensión de procesos celulares impulsados por separación de fases, así como el avance de tecnologías en almacenamiento de energía y tratamiento de agua.
