El agua existe como dos líquidos diferentes
Científicos de la Universidad de California en San Diego han descubierto una propiedad nunca antes observada del agua: a alta presión y baja temperatura, se separa en dos líquidos con diferente densidad. Este hallazgo podría revolucionar nuestra comprensión del agua.
Por Enrique Coperías
La nueva propiedad singular del agua: a alta presión y baja temperatura, el agua líquida se separa en dos fases líquidas distintas: una de alta densidad y otra de baja densidad. Cortesía: David Clode
El agua se antoja una sustancia única. Es una de las pocas moléculas que puede existir de manera simultánea como sólido, líquido y gas bajo condiciones ambientales, como cuando el hielo flota sobre un estanque de agua líquida mientras las nubes de tormenta se desplazan por el cielo.
Además, el agua es una de las pocas sustancias cuya forma sólida tiene una menor densidad que su forma líquida, lo que permite que el hielo flote.
Recientemente, un equipo de científicos de la Universidad de California en San Diego, en Estados Unidos, ha hecho un descubrimiento clave sobre otra de las propiedades singulares del agua: a alta presión y baja temperatura, el agua líquida se separa en dos fases líquidas distintas: una de alta densidad y otra de baja densidad. Los detalles de este hallazgo se han publicado en la revista Nature Physics.
Un modelo tan realista que casi te lo puedes beber
Francesco Paesani, profesor de Química y Bioquímica en la Universidad de California en San Diego, trabaja en la intersección de la química, la física y la informática para desarrollar modelos fundamentados en la física que aborden problemas complejos de la química.
Gracias al uso de técnicas de aprendizaje automático y algoritmos de ciencias de la computación, su equipo ha logrado crear modelos moleculares que replican de forma precisa los resultados que se pueden medir experimentalmente. «Nuestro modelo de agua es tan realista que casi se puede beber», comenta Paesani en un comunicado de la Universidad de California en San Diego.
Generalmente, los líquidos son homogéneos, lo que significa que no se puede distinguir una molécula líquida de otra. Esto es especialmente cierto en el caso del agua. Sin embargo, en 1992, los científicos propusieron que, bajo ciertas condiciones de temperatura y presión, el agua líquida alcanzaría un punto crítico en el que dejaría de ser homogénea.
Alta y baja densidad
El equipo de Paesani realizó simulaciones que revelaron el punto crítico donde, a temperaturas lo suficientemente bajas (-75 ºC) y presiones altas (1.250 atmósferas), el agua se separa espontáneamente en dos fases líquidas: una de alta densidad y otra de baja densidad.
En este punto crítico, el agua experimenta oscilaciones entre estas dos fases. Por debajo de esta presión, el agua regresa a su fase de baja densidad; por encima de ella, se transforma completamente en la fase de alta densidad. Este fenómeno, que ocurre a nivel molecular, es completamente inesperado.
La simulación de 1992 fue un intento preliminar. Desde entonces, los investigadores han intentado replicar experimentalmente esta separación espontánea sin éxito.
Llega el modelo MB-pol
Sin embargo, en las últimas tres décadas, los avances en modelización computacional han permitido realizar simulaciones más detalladas y precisas, especialmente gracias a los avances en los modelos de muchos cuerpos basados en datos —herramientas computacionales avanzadas que simulan sistemas complejos de partículas (como moléculas de agua) considerando la interacción entre todas ellas—, una especialidad del equipo de Paesani.
En concreto, el modelo MB-pol, desarrollado por su grupo, se basa en cálculos de mecánica cuántica de alto nivel, y descompone la energía total del sistema en contribuciones individuales de cada molécula. Esto es lo que se conoce como un modelo de muchos cuerpos. Estas energías se incorporan a un sistema de aprendizaje automático que permite realizar simulaciones realistas del agua en todo su diagrama de fases.
«Una persona en una habitación se comporta de una manera. Si entra otra persona, la primera cambia su comportamiento para adaptarse a la segunda. Si entra una tercera, la dinámica de las dos primeras se ajusta. Así es como funciona MB-pol —explica Paesani su modelo con una analogía. Y añade—: A pequeña escala, los efectos de la mecánica cuántica modifican directamente el comportamiento de las moléculas de agua, pero a medida que aumenta el número de moléculas, los efectos se promedian en todo el sistema, como cuando una persona más entra en una habitación llena».
Simulación de la dinámica molecular del agua superenfriada. Cortesía: Pasesani group./ UC San Diego
Paesani comenta que las simulaciones de mecánica cuántica pueden ser extremadamente costosas. Recordemos que esta es una rama de la física que describe el comportamiento de los átomos y las moléculas a nanoescala. Explica cómo objetos muy diminutos, como los electrones, los protones y los átomos, pueden exhibir las características tanto de partículas (materia) como de ondas (una perturbación que transfiere energía). Los físicos llaman a esto dualidad onda-partícula.
«Con nuestro método basado en MB-pol y aprendizaje automático, podemos realizar simulaciones de varios microsegundos, algo con lo que los científicos moleculares han soñado durante mucho tiempo», comenta Paesani .
El proceso para realizar las simulaciones necesarias para este descubrimiento no fue sencillo. Tomó casi dos años de cálculos continuos usando algunos de los supercomputadores más potentes del mundo, como Expanse, en el Centro de Supercomputación de San Diego, un centro clave en la nueva Escuela de Computación, Información y Ciencias de Datos de la UC San Diego.
La base para nuevos líquidos sintéticos
En el futuro, Paesani espera que esta investigación conduzca al desarrollo de líquidos sintéticos capaces de experimentar una transición similar a la del agua entre líquidos de diferentes densidades, pero bajo condiciones cotidianas. Por ejemplo, líquidos porosos que puedan cambiar de una densidad baja a una alta, como esponjas, y que podrían usarse para captar contaminantes o ayudar en la desalinización del agua.
«Esta simulación ha sido un gran logro —dice Paesani—. Ha llevado casi dos años, lo que hace que sea un descubrimiento emocionante. Ahora es el turno de los investigadores experimentales de verificar si nuestras predicciones son correctas».
Recrear estas condiciones en un laboratorio sigue siendo un reto, pero la tecnología de nanogotas podría ser clave. Mediante la creación de pequeñas gotas de agua que generen una alta presión interna a través de la tensión superficial, se podría confirmar experimentalmente este fenómeno.
Por ahora, este descubrimiento ofrece la predicción más precisa de un fenómeno que los científicos han sospechado durante mucho tiempo, pero que nunca han observado directamente. Cuando finalmente se logre confirmar, podría cambiar para siempre nuestra comprensión del agua. ▪️
Información facilitada por la Universidad de California en San Diego
Fuente: Sciortino, F., Zhai, Y., Bore, S.L. et al. Constraints on the location of the liquid–liquid critical point in water. Nature Phys. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02761-0
