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Descubierto: el agua consta de dos líquidos


Descubrimiento impresionante: los científicos han demostrado que el agua líquida consta de dos líquidos diferentes. Hasta ahora, las dos variantes de agua se han determinado a temperaturas muy bajas. Los físicos consideran muy probable que esto también exista como temperatura ambiente.

El agua líquida existe en dos versiones: líquido de alta densidad (HDL) y líquido de baja densidad (LDL), que ahora se han detectado a temperaturas muy bajas, pero no se pueden embotellar. Esto se muestra mediante exámenes de rayos X en DESY y en el Laboratorio Nacional de Argonne en los EE. UU. Un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Estocolmo está presentando su descubrimiento en las "Actas" de la Academia de Ciencias de los Estados Unidos (PNAS).

Los investigadores de Anders Nilsson habían examinado el llamado hielo amorfo. Esta forma de hielo de agua similar al vidrio se conoce desde hace décadas. Es raro en la Tierra y no ocurre en la vida cotidiana, pero la mayor parte del hielo de agua en el sistema solar existe en esta forma amorfa. En lugar de un cristal sólido, como un cubo de hielo del congelador, el hielo tiene la forma de cadenas moleculares desordenadas, que se corresponden más estrechamente con la estructura interna de un vaso. Por ejemplo, se puede producir hielo amorfo enfriando agua líquida tan rápido que las moléculas no tienen tiempo para formar una estructura cristalina ordenada.

"El hielo amorfo existe en dos versiones, una con una alta densidad y otra con una densidad más baja", explica el físico de DESY Felix Lehmkühler del equipo de investigación. Las dos variantes se conocen como hielo amorfo de alta densidad (HDA) y hielo amorfo de baja densidad (LDA). "El hielo HDA ​​tiene una densidad un 25 por ciento más alta que el hielo LDA", dice Lehmkühler. “Los científicos se han estado preguntando durante mucho tiempo si estos dos tipos de helado no tienen variantes correspondientes en agua líquida. Sin embargo, esto es muy difícil de medir. Incluso si ambas variantes existen en el agua líquida, se mezclan constantemente, se transforman entre sí y no hay forma de separarlas ".

Al convertir el hielo HDA ​​en hielo LDA, el volumen de hielo aumenta espontáneamente alrededor de una cuarta parte. Esto ya se pudo observar antes de la investigación actual. Fotos: Katrin Amann-Winkel / Filippo Cavalca, Universidad de Estocolmo
Los investigadores ahora han superado este obstáculo a bajas temperaturas. Katrin Amann-Winkel preparó muestras particularmente puras de hielo HDA ​​en el laboratorio de Estocolmo. En el Laboratorio Nacional de Argonne en los EE. UU., Los científicos observaron que la estructura interna de este hielo cambia cuando se calienta entre menos 150 grados y menos 140 grados Celsius, se transforma en una forma de menor densidad.

En la estación de medición P10 de la fuente de luz de rayos X de DESY PETRA III, los investigadores ahora podían seguir la dinámica de este cambio de fase. Resultó que la conversión se realiza a través de un líquido: primero el hielo HDA ​​cambia a una forma líquida de alta densidad, luego este "Líquido de alta densidad" (HDL) cambia a una forma de menor densidad ("Líquido de baja densidad", LDL). Esto demuestra la existencia de las dos variantes sospechosas de agua líquida, al menos a temperaturas muy bajas. El agua ultracongelada es tan viscosa que las dos fases líquidas se convierten y se mezclan muy lentamente, lo que las hace mensurables.

"La nueva propiedad notable que hemos observado es que el agua puede existir como dos líquidos diferentes, a bajas temperaturas donde la cristalización del hielo es lenta", explica el líder de investigación Nilsson, profesor de física química en la Universidad de Estocolmo. "Es muy emocionante que con los rayos X podamos determinar las posiciones relativas de las moléculas en diferentes momentos", agrega Fivos Perakis de la Universidad de Estocolmo, junto con Amann-Winkel, el autor principal del estudio. "En particular, pudimos seguir la transformación de la muestra entre las dos fases a bajas temperaturas y mostrar que la difusión se establece como es típico para los líquidos".

El descubrimiento de las dos variantes del agua líquida no cambia nada para el uso diario. Para la ciencia, sin embargo, es un paso importante para comprender este fluido extraordinario. "Tan simple como parece el agua, es extraño en comparación con otros líquidos", explica Lehmkühler del grupo de investigación DESY sobre dispersión coherente de rayos X del profesor Gerhard Grübel, quien también es coautor del estudio y trabaja como científico principal en DESY.

"El agua muestra tantas anomalías: la densidad, la capacidad de calor y la conductividad térmica son solo tres de varias docenas de propiedades que son diferentes para el agua que para la mayoría de los otros líquidos", dice Lehmkühler. "Muchas de estas propiedades son la base de la existencia de la vida, porque sin agua y sus propiedades especiales, la vida tal como la conocemos no es posible". La exploración del agua no solo es de gran importancia y es un área en la que DESY está cada vez más comprometido. Las nuevas fuentes de luz de rayos X, como el láser europeo de rayos X XFEL europeo, que se está encargando actualmente, cuyo socio principal es DESY, o la expansión de la fuente de sincrotrón de DESY PETRA III a la próxima generación, PETRA IV, permitirá a los investigadores penetrar aún más en el terreno inexplorado del diagrama de fase de agua.

Con futuros estudios, los científicos esperan, entre otras cosas, responder a la pregunta de si los dos tipos de agua líquida también existen a temperatura ambiente. No hay una razón fundamental por la que solo existan a bajas temperaturas. "Los nuevos resultados apoyan firmemente la imagen en la que el agua a temperatura ambiente no puede decidir cuál de las dos formas debe adoptar, alta o menor densidad, lo que conduce a fluctuaciones locales entre los dos", enfatiza el coautor Lars Pettersson, profesor de Física química teórica en la Universidad de Estocolmo. "En pocas palabras, esto significa que el agua no es un líquido complicado, sino dos líquidos simples en una relación complicada".

La Universidad de Innsbruck, la Real Universidad Técnica (KTH) de Estocolmo y el centro de investigación estadounidense SLAC también participaron en el trabajo. (sb, pm)

Trabajo original:
"Dinámica difusiva durante la transición de alta a baja densidad en hielo amorfo"; Fivos Perakis, Katrin Amann-Winkel, Felix Lehmkühler, Michael Sprung, Daniel Mariedahl, Jonas A. Sellberg, Harshad Pathak, Alexander Späh, Filippo Cavalca, Daniel Schlesinger, Alessandro Ricci, Avni Jain, Bernhard Massani, Flora Aubree, Chris J. Benmore , Thomas Loerting, Gerhard Grübel, Lars GM Pettersson y Anders Nilsson; "Actas de la Academia Nacional de Ciencias", 2017; DOI: 10.1073 / pnas.1705303114

Autor y fuente de información


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