La Complejidad Topológica del Agua Líquida se Describe en un Nuevo Modelo Coloidal

Por: William Brown, Científico de Resonance Science Foundation

El agua es una de las moléculas más abundantes del universo y tiene una composición química sencilla de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Sin embargo, esta molécula abundante y aparentemente sencilla, encierra propiedades sorprendentes derivadas de las peculiares configuraciones moleculares e intermoleculares del agua. Empezando por la configuración molecular en la que fracciones de hidrógeno y los pares de electrones no enlazados forman una molécula tetraédrica. Ingenuamente, la disposición de enlace más sencilla sería una molécula lineal, como el dióxido de carbono, sin embargo en una molécula de agua los átomos de hidrógeno se unen al único átomo de oxígeno con un ángulo de enlace específico de 104,5º. Esta configuración tetraédrica de la molécula de agua produce un dipolo eléctrico parcial, que hace que el agua sea iónicamente interactiva y le confiere propiedades únicas, como ser el disolvente universal. También subyace a algunas de las anomalías termodinámicas del agua líquida, como la menor densidad a bajas temperaturas debido a la formación de redes de enlaces de hidrógeno coordinadas tetraédricamente. El agua líquida forma redes intermoleculares estructuradas de manera que -a diferencia de casi todos los demás líquidos- el agua se expande al enfriarse y su fase sólida (hielo) es menos densa que su fase líquida.

_{(a) Distribución electrónica en la molécula de agua: se muestra la estructura tetraédrica de los orbitales moleculares, con los electrones implicados en los enlaces covalentes y los pares solitarios, según la teoría VSEPR [43, 44]. (b) Estructura de una sola molécula de agua (los átomos de hidrógeno son blancos, el átomo de oxígeno es rojo) [por Greg Stewart, diseñador gráfico del SLAC National Accelerator Laboratory, EE.UU.], representada según el modelo de bola y palo. (c) Disposición tetraédrica de las moléculas de agua unidas por hidrógeno [Molecular Cell Biology, Sixth Edition c 2008, W.H.Freeman and Company].}

Estas características únicas y aparentemente anómalas del agua líquida la convierten en la molécula fundacional de la vida. Funciona como medio central de intercambio de información y coordina la actividad de un gran número de macromoléculas complejas: determina la forma y la función de las proteínas, el ADN, el ARN y los lípidos, y permite la bioquímica que está en la base del sistema vivo.

El agua es necesaria tanto para la evolución de la vida como para su continuidad. Posee propiedades particulares que no se encuentran en otros materiales y que son necesarias para los procesos que dan vida. Estas propiedades se deben al entorno de enlaces de hidrógeno, especialmente evidente en el agua líquida. Cada molécula de agua líquida está implicada en unos cuatro enlaces de hidrógeno con una fuerza considerablemente menor que la de los enlaces covalentes, pero considerablemente mayor que la energía térmica natural. Estos enlaces de hidrógeno están dispuestos de forma aproximadamente tetraédrica, de manera que cuando se forman fuertemente la agrupación local se expande, disminuyendo la densidad. Esta estructuración de baja densidad se produce de forma natural a temperaturas bajas y superenfriadas y da lugar a muchas propiedades físicas y químicas que evidencian la particularidad del agua líquida. Si los enlaces de hidrógeno acuosos fueran algo más fuertes, el agua se comportaría como un vidrio, mientras que si fueran más débiles, el agua sería un gas y sólo existiría como líquido a temperaturas bajo cero. -Martin Chaplin, Water’s Hydrogen Bond Strength

Dada la importancia de esta pequeña molécula, los científicos desde hace mucho tiempo están ansiosos por revelar y comprender más de sus secretos ocultos en sus redes moleculares. Uno de estos estudios ha dado un gran paso en esta tarea al demostrar que existe una clara distinción topológica entre sus dos redes líquidas superenfriadas, cada una de ellas de diferente densidad, un hallazgo que podría tener implicaciones de gran alcance para la comprensión de las transiciones de fase líquido-líquido en líquidos tetraédricos como el agua.

El estudio, publicado en la revista Nature Physics [1], demuestra que en el agua profundamente superenfriada se produce una transición de fase líquida en la que una red intermolecular no entrelazada y de baja densidad pasa a un líquido entrelazado y de alta densidad que contiene motivos topológicamente complejos como los nudos trébol y el enlace de Hopf (véase la imagen inferior).

_{Caracterización de la transición de fase líquido-líquido en agua coloidal (arriba) y molecular (abajo) mediante la identificación de enlaces y nudos. LDL: líquido de baja densidad; HDL: líquido de alta densidad. Crédito de la imagen: Neophytou et al., doi: 10.1038/s41567-022-01698-6.}

Como se describe en un post de la Sapienza Università di Roma, donde se realizó en parte la investigación:

El autor principal, Andreas Neophytou, estudiante de doctorado de la Universidad de Birmingham, afirma que "este conocimiento nos ha proporcionado una visión completamente nueva de lo que es un problema de investigación de hace 30 años, y esperamos que sea sólo un nuevo comienzo".  El equipo de investigadores descubrió primero la distinción topológica de los dos líquidos en un modelo coloidal del agua, y luego en dos modelos moleculares del agua ampliamente utilizados, mediante simulaciones por computador. Los coloides son partículas que pueden ser mil veces más grandes que una sola molécula de agua. En virtud de su tamaño relativamente mayor y, por tanto, de sus movimientos más lentos, los coloides suelen denominarse "átomos grandes" y se utilizan para observar y comprender fenómenos físicos que también se producen a escalas de longitud atómica y molecular mucho más pequeñas.

_{(a) Modelo molecular del agua: las moléculas forman redes de enlaces de hidrógeno coordinadas tetraédricamente. (b) Estas agrupaciones pueden considerarse como "grandes átomos" en el modelo coloidal del agua. (c) En la fase de alta densidad, estas redes están entrelazadas y son topológicamente complejas, formando motivos como el nudo trébol y el enlace de Hopf.} 

Además, varios expertos han discutido la importancia del notable estudio:

Pablo Debenedetti, profesor de ingeniería química y biológica de la Universidad de Princeton (EE.UU.) y experto mundial en este campo de investigación, comenta: "Este hermoso trabajo computacional descubre la base topológica que subyace a la existencia de diferentes fases líquidas en una misma sustancia que forma una red".Y añade: "Al hacerlo, enriquece y profundiza sustancialmente nuestra comprensión de un fenómeno que las abundantes pruebas experimentales y computacionales sugieren cada vez más que es fundamental para la física del más importante de los líquidos: el agua".  Christian Micheletti, profesor de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados de Trieste (Italia), cuya investigación actual se centra en la comprensión del impacto del entrelazamiento, especialmente de los nudos y los enlaces, en la estática, la cinética y la funcionalidad de los biopolímeros, señala: "Con este único artículo, Neophytou et al. han realizado varios avances que tendrán consecuencias en diversos ámbitos científicos. En primer lugar, su modelo coloidal del agua, elegante y experimentalmente aceptable, abre perspectivas totalmente nuevas para los estudios a gran escala de los líquidos. Además, aportan pruebas fehacientes de que las transiciones de fase que pueden ser difíciles de detectar en el análisis tradicional de la estructura local de los líquidos se detectan fácilmente al rastrear los nudos y enlaces en la red de enlaces del líquido. La idea de buscar esas complejidades en el espacio algo abstracto de las vías que discurren a lo largo de enlaces moleculares transitorios es muy poderosa, y espero que se adopte ampliamente para estudiar sistemas moleculares complejos". 

Documento de referencia:

[1] Neophytou, A., Chakrabarti, D. & Sciortino, F. Topological nature of the liquid–liquid phase transition in tetrahedral liquids. Nat. Phys. 18, 1248–1253 (2022).  https://doi.org/10.1038/s41567-022-01698-6