Los resultados de un nuevo estudio indican que el agua puede existir como dos líquidos de diferente densidad, un descubrimiento que podría tener importantes implicaciones para la biología y la crioconservación
Aunque pueda parecer mentira, el elemento líquido por excelencia, el agua, no tiene una, sino dos formas líquidas distintas. Los investigadores han estado buscando la forma exacta de este binomio desde que fuera teorizado hace 30 años por un equipo de la Universidad de Boston, y la evidencia se ha acumulado lentamente de que realmente existe. Ahora, Yoshiharu Suzuki, un investigador del Centro de Investigación para la Medición y Caracterización Avanzadas del Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales de Japón, ha encontrado pruebas fehacientes de su existencia y las ha publicado en un artículo para Proceedings of the National Academy of Sciences.
Pero primero, es necesario explicar que significa exactamente que el agua tenga dos formas líquidas. El estado habitual del agua que todos conocemos corresponde al agua líquida a temperaturas normales; sin embargo, la nueva investigación muestra que el agua a bajas temperaturas existe en dos estados diferentes, un líquido de baja densidad a bajas presiones y un líquido de alta densidad a altas presiones. Estos dos líquidos tienen propiedades notablemente diferentes y difieren en un 20% de densidad.
El experimiento de Suzuki brinda lo que parece ser la observación directa de dos formas de agua líquida, que pueden interconvertirse a alta presión muy por debajo del punto de congelación normal del agua. Eso sí, tal transformación entre estados líquidos de diferente densidad no ha sido observada en agua pura sino en soluciones de azúcar trehalosa, informa Chemistry World, la revista de la Royal Society of Chemistry.
Comprender cómo se comportan estas soluciones súper frías podría tener implicaciones para la biología y la crioconservación, donde debe evitarse el daño a los tejidos biológicos por los cristales de hielo, así como por los estados ricos en agua que podrían existir en las atmósferas de los gigantes gaseosos. Y es que la investigación demuestra que, aunque los líquidos están estructuralmente desordenados, no es inmediatamente obvio cómo pueden soportar dos estructuras distintas con diferentes densidades. Pero eso parece ser posible para los líquidos en los que algún grado de enlace direccional, como los enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua adyacentes, hace posible distintas estructuras locales.
Un problema clave es que es difícil sondear profundamente en estados sobreenfriados sin que las muestras se congelen. Una forma de suprimir la congelación es hacer que el líquido se convierta en una emulsión, dispersándolo como pequeñas gotas en las que la posibilidad de que se formen cristales de hielo es menor.
La investigación ha durado más de siete años. En 2014, Yoshiharu Suzuki del National Institute for Materials Science en Tsukuba, Japón, en colaboración con el veterano investigador del agua Osamu Mishima, informó por primera vez de posibles signos de una transición líquido-líquido, que termina en un punto crítico donde los dos estados líquidos se vuelven indistinguibles en emulsión. Ambos científicos vieron signos de dos estados desordenados distintos con diferentes densidades, pero no hubo evidencia directa de que ambos fueran líquidos, en lugar de hielo amorfo.
La importancia de la trehalosa
Suzuki ahora ha explorado el mismo enfoque utilizando trehalosa como soluto, un azúcar producido como crioprotector natural por algunos organismos, como los insectos, que experimentan frío extremo, para evitar que su sangre se congele. Para ello, presurizó soluciones emulsionadas diluidas a aproximadamente 0,6 GPa en un rango de temperaturas por debajo de 159 K y luego las descomprimió nuevamente. Esto primero forma una fase sólida vítrea, que puede transformarse en un líquido viscoso al liberar la presión. «Formar primero la fase vítrea es crucial para evitar que la solución se separe en una fase rica en solutos y hielo casi puro», asegura Suzuki.
Por lo general, el investigador vio un fuerte aumento en la densidad a medida que aumentaba la presión, y una fuerte caída similar en la densidad, a una presión algo más baja, en la descompresión. Estos cambios ocurren mientras la solución aún es viscosa en lugar de vidriosa, y Suzuki los interpreta como transformaciones entre un líquido de alta y baja densidad. Es más, esta histéresis, en la que la densidad salta a diferentes presiones en la compresión y la descompresión, es normal para una transición de primer orden en la que un parámetro como la densidad cambia de forma discontinua. Refleja el hecho de que la transición tiene que comenzar con la formación fortuita de un «núcleo» de la nueva fase, que luego crece.
Suzuki aún no está seguro de por qué la trehalosa estabiliza tan bien el agua contra la cristalización, en comparación con el glicerol, pero esto podría ayudar a explicar por qué la vida la usa como anticongelante, además de haber servido de vehículo para demostrar la existencia de dos formas líquidas del agua.
