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Existe agua descubierta de dos líquidos.
El agua líquida existe en dos variantes: 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 el Laboratorio Nacional de Argonne en los Estados Unidos. Un equipo de investigación internacional liderado por la Universidad de Estocolmo presenta ahora su descubrimiento en las Actas de la Academia de Ciencias de los Estados Unidos (PNAS)..
El agua consta de dos líquidos diferentes (Imagen: GianlucaCiroTancredi / fotolia.com) Los investigadores de los alrededores de Anders Nilsson habían investigado el llamado hielo amorfo. Esta forma de vaso de agua helada 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 compartimiento del congelador, el hielo está en forma de cadenas moleculares desordenadas, que se corresponden más con la estructura interna de un vaso. Por ejemplo, el hielo amorfo se puede hacer enfriando el agua líquida tan rápido que las moléculas no tienen tiempo para formar una estructura cristalina ordenada.
"El hielo amorfo existe en dos variantes, una con alta densidad y otra con menor densidad", explica el físico Felix Lehmkühler de DESY del equipo de investigación. Las dos variantes se denominan hielo amorfo de alta densidad (HDA) y hielo amorfo de baja densidad (LDA). "El hielo HDA tiene una densidad aproximadamente un 25 por ciento más alta que el hielo LDA", dice Lehmkühler. "Los científicos se han preguntado durante mucho tiempo si estos dos tipos de helados no tienen variantes correspondientes en el agua líquida. Esto es muy difícil de medir. Incluso si hay dos variantes en el agua líquida, se mezclan constantemente, se convierten una en la otra y no hay manera de separarlas ".
Al convertir el hielo HDA en hielo LDA, el volumen de hielo aumenta espontáneamente en aproximadamente un cuarto. 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. En el laboratorio de Estocolmo, Katrin Amann-Winkel preparó muestras especialmente puras de hielo HDA. En el Laboratorio Nacional de Argonne en los Estados Unidos, los científicos observaron que la estructura interna de este hielo cambia cuando se calienta entre menos 150 grados y menos 140 grados centígrados, transformándolo en una forma de densidad más baja.
En la estación de medición P10 de la fuente de rayos X de DESY PETRA III, los investigadores pudieron seguir la dinámica de esta transformación de fase. Mostró que la conversión se realiza a través de un líquido: Primero, el hielo HDA se convierte en una forma líquida de alta densidad, luego este "Líquido de alta densidad" (HDL) se transforma en 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 extremadamente congelada es tan viscosa que las dos fases líquidas se transforman unas en otras muy lentamente y se mezclan y, por lo tanto, se miden..
"La nueva característica 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 Director de Investigación Nilsson, Profesor de Física Química en la Universidad de Estocolmo. "Es muy emocionante que con la radiación X podamos determinar las posiciones relativas de las moléculas en diferentes momentos", agrega Fivos Perakis de la Universidad de Estocolmo, junto con el autor principal del estudio de Amann-Winkel. "En particular, pudimos seguir la transformación de la muestra entre las dos fases a bajas temperaturas y demostrar que la difusión comienza como es típico de los líquidos".
Para la vida cotidiana, el descubrimiento de las dos variantes del agua líquida no cambia nada. Para la ciencia, sin embargo, es un paso importante para entender este extraordinario fluido. "Tan simple como el agua aparece, se comporta de manera extraña en comparación con otros líquidos", explica Lehmkühler del grupo de investigación DESY "Dispersión de rayos X coherente" por el 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 con el agua que la mayoría de los otros líquidos", dice Lehmkühler. "Muchas de estas cualidades son la base para la existencia de la vida, porque sin el agua y sus cualidades especiales, la vida, tal como la conocemos, no es posible". Por lo tanto, el estudio del agua no solo es de gran importancia y es un área en la que también DESY refuerza su compromiso. Las nuevas fuentes de rayos X, como el recientemente lanzado XFEL europeo XFEL europeo, cuyo principal accionista es DESY, o la expansión de la fuente de sincrotrón PETRA III de la próxima generación de DESY, PETRA IV, permitirán a los investigadores avanzar aún más en el terreno no mapeado del diagrama de fase de agua.
Con futuras investigaciones, los científicos esperan responder a la pregunta, entre otras cosas, si los dos tipos de agua líquida también existen a temperatura ambiente. No hay ninguna razón fundamental para 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 asumir, alta o baja densidad, lo que conduce a fluctuaciones locales entre las dos", dijo el coautor Lars Pettersson, profesor de Física Química Teórica en la Universidad de Estocolmo. "En pocas palabras, el agua no es un líquido complicado, sino dos líquidos simples en una relación complicada".
También participaron la Universidad de Innsbruck, el Real Instituto de Tecnología (KTH) de Estocolmo y el Centro de Investigación de Estados Unidos SLAC. (Sb, pm)
obra original:
"Dinámica difusiva durante la transición de alta a baja densidad en el 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