La Geometría Tetraédrica del Agua Explica sus Notables Propiedades

Por: Resonance Science Foundation

Anomalías del agua en función de la tetraedralidad

El agua es el material más común y, sin embargo, menos comprendido de la Tierra. A pesar de su simplicidad, el agua tiende a formar un orden tetraédrico localmente mediante enlaces de hidrógeno direccionales. Se sabe que esta estructuración es la responsable de una amplia gama de propiedades inusuales, por ejemplo, el máximo de densidad a 4^◦C, que desempeñan un papel fundamental en innumerables procesos naturales y tecnológicos, siendo el clima de la Tierra uno de los ejemplos más importantes. Al ajustar sistemáticamente el grado de tetraedralidad, conseguimos interpolar continuamente entre el comportamiento similar al del agua y el del líquido simple. Nuestro enfoque revela qué factores físicos hacen que el agua sea tan anómala y especial incluso en comparación con otros líquidos tetraédricos. ---John Russo, Kenji Akahane y Hajime Tanaka. Anomalías del agua en función de la tetraedralidad. PNAS, 26 de marzo de 2018.

Las propiedades del agua han fascinado a los científicos durante siglos, pero su comportamiento único sigue siendo un misterio.

Una colaboración entre las Universidades de Bristol y Tokio, publicada esta semana en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, ha intentado una nueva vía para entender qué hace que un líquido se comporte como el agua.

Cuando se compara con un líquido ordinario, el agua presenta una gran variedad de anomalías. Algunos ejemplos comunes son el hecho de que el agua líquida se expande al enfriarse por debajo de los 4ºC, lo que es responsable de que los lagos se congelen por arriba y no por abajo.

Además, el hecho de que el agua se vuelva menos viscosa cuando se comprime, o su tensión superficial inusualmente alta, permite a los insectos caminar sobre la superficie del agua.

Estas y otras muchas anomalías tienen una importancia fundamental en innumerables procesos naturales y tecnológicos, como el clima de la Tierra y la posibilidad de la propia vida. Desde un punto de vista antrópico, es como si la molécula de agua estuviera afinada para tener esas propiedades únicas.

Partiendo de la observación de que las propiedades del agua parecen estar afinadas, una colaboración entre el Dr. John Russo, de la Escuela de Matemáticas de la Universidad de Bristol, y el profesor Hajime Tanaka, de la Universidad de Tokio, aprovechó la potencia de potentes supercomputadoras, utilizando modelos computacionales para "desajustar" lentamente las interacciones del agua.

Esto demostró cómo las propiedades anómalas del agua pueden modificarse y, finalmente, reducirse a las de un simple líquido. Por ejemplo, en lugar de flotar en el agua, la densidad del hielo puede cambiarse continuamente hasta que se hunda, y lo mismo puede hacerse con todas las anomalías del agua.

El Dr. Russo dijo: "Con este procedimiento, hemos descubierto que lo que hace que el agua se comporte de forma anómala es la presencia de una disposición particular de las moléculas del agua, como la disposición tetraédrica, en la que una molécula de agua está unida por enlaces de hidrógeno a cuatro moléculas situadas en los vértices de un tetraedro. Cuatro de estas disposiciones tetraédricas pueden organizarse de manera que compartan una molécula de agua común en el centro sin superponerse.

"Es la presencia de esta disposición altamente ordenada de las moléculas de agua, mezclada con otras disposiciones desordenadas, lo que da al agua sus propiedades peculiares".- Dr. Russo

Los autores de este estudio afirman que su trabajo proporciona una explicación sencilla de las anomalías y pone de relieve la naturaleza excepcional del agua, que la hace tan especial en comparación con cualquier otra sustancia.

RSF en perpectiva:

Las interacciones tetraédricas describen el comportamiento de los materiales más abundantes y tecnológicamente importantes de la Tierra, como el agua, el silicio, el carbono, el germanio y muchos otros. A pesar de sus diferencias, estos materiales comparten comportamientos físicos únicos y comunes, como las anomalías líquidas, las estructuras cristalinas abiertas y la escasa capacidad de formación de vidrio a presión ambiente. Para revelar el origen físico de estas anomalías y su relación con la forma del diagrama de fases, estudiamos sistemáticamente las propiedades del potencial de Stillinger-Weber en función de la fuerza de la interacción tetraédrica λ. Descubrimos una transición única a una línea espinodal reentrante en valores bajos de λ, acompañada de un cambio en el comportamiento dinámico, de no Arrhenius a Arrhenius. A continuación, mostramos que un modelo de dos estados puede proporcionar una comprensión completa de cómo las anomalías termodinámicas y dinámicas de esta importante clase de materiales dependen de la fuerza de la interacción tetraédrica. Nuestro trabajo establece un profundo vínculo entre la forma del diagrama de fases y las propiedades termodinámicas y dinámicas a través de la ordenación estructural local en los líquidos, e insinúa por qué el agua es tan especial entre todas las sustancias.

Artículo: Understanding the strange behavior of water

Explora más: Tetrahedrality is key to the uniqueness of water

Artículo original; PNAS: Water-like anomalies as a function of tetrahedrality