En muchos sentidos, el agua se comporta de manera diferente a otros líquidos, y tuvo consecuencias: se cree que sus propiedades anómalas fueron esenciales para el desarrollo de la vida.
Un buen ejemplo es el hecho de que el hielo flota. A diferencia de otras sustancias, el agua congelada es menos densa que el agua líquida, y esta anomalía permite que los peces y otras formas de vida acuática sobrevivan en las aguas debajo de de una capa congelada de hielo, protectora durante periodos fríos.
El agua también tiene una alta capacidad de calor, lo que significa que puede absorber y liberar una gran cantidad de calor mientras se somete a muy poco cambio en la temperatura. Esta propiedad ayuda a muchos organismos vivos a mantener una temperatura corporal relativamente estable, y también proporciona un clima agradable en Europa debido a la cálida corriente del Golfo.
Los investigadores han propuesto una imagen de agua en la que se presentan las propiedades únicas de su estructura heterogénea
Es ampliamente conocido que las propiedades anómalas del agua están relacionadas con sus enlaces de hidrógeno, que hacen que el agua líquida se organice de una manera muy ordenada, debido a la atracción entre los átomos de hidrógeno en una molécula de agua y los átomos de oxígeno en las moléculas adyacentes. Sin embargo, los investigadores no entienden completamente cómo la estructura de enlaces de hidrógeno única de agua conduce a sus propiedades anómalas.
En un artículo de revisión publicado en Nature Communications, los físicos Anders Nilsson y Lars Pettersson de la Universidad de Estocolmo han reunido los resultados de docenas de artículos publicados en los últimos años que han investigado la estructura molecular del agua, a menudo con la ayuda de vanguardistas herramientas experimentales y simulaciones.
En su interpretación de los datos, los investigadores han propuesto una imagen de agua en la que se presentan las propiedades únicas de su estructura heterogénea.
Los investigadores proponen que, en la zona de presión (P) y temperatura (T) donde el agua exhibe sus comportamientos anómalos (la región en forma de embudo en el diagrama de fases que se muestra en la imagen), el agua coexiste en dos tipos diferentes de estructuras: una estructura altamente ordenada de baja densidad con enlaces de hidrógeno fuertes, y una estructura de alta densidad un poco aplastada con enlaces de hidrógeno distorsionados.
Los orígenes de las propiedades anómalas del agua surgen debido a que estos dos tipos de estructuras están constantemente fluctuando entre sí en esta fase heterogénea, lo que resulta en muchas pequeñas regiones separadas espacialmente de diferentes estructuras.
"Se trata de que las fluctuaciones, entre el líquido de alta densidad y el líquido de baja densidad, dan lugar a las propiedades anómalas", dijo Nilsson a Phys.org.
Por ejemplo, la gran capacidad calorífica del agua. Como explica Nilsson, la capacidad de calor está relacionada a las fluctuaciones de entropía, a su vez relacionada con el número de posibles formas en que la energía disponible puede ser distribuida en el sistema. Las fluctuaciones entre las estructuras locales de baja y alta densidad aumentan la magnitud de las fluctuaciones de entropía y, en consecuencia, la capacidad calorífica.
Fuera de la región en forma de embudo, el agua deja de comportarse anormalmente y comienza a comportarse más como otros líquidos. En estas regiones, la estructura del agua es homogénea, existiendo sólo como la estructura de baja densidad por debajo de la región en forma de embudo y sólo como la estructura de alta densidad encima de la región en forma de embudo.
Aunque el nuevo documento combina muchos años de datos en una imagen cohesiva, todavía quedan muchas preguntas. Una pregunta sin respuesta, por ejemplo, es ¿por qué una región anómala del agua se produce a las mismas temperaturas y presiones que sustentan la vida? Parece probable que la región anómala del agua sirve para colocar restricciones en las condiciones necesarias para que la vida exista. Una mejor comprensión de esta coincidencia podría tener implicaciones para la comprensión de la vida en un nivel fundamental.
Muchas otras preguntas también requieren una mayor investigación. Los investigadores explican que la interpretación propuesta es una imagen muy simple, y no dicen el grado exacto de la heterogeneidad en el agua en la región anómala, ni describe la naturaleza de los límites entre las regiones fluctuantes separadas espacialmente.
Otra área de investigación que ha desafiado a los investigadores es la llamada región "tierra de nadie", que se refiere a la posibilidad de agua líquida a temperaturas inferiores -42 ° C, pero por encima de -123 ° C. Es un gran desafío eenfriar el agua líquida a estas bajas temperaturas lo suficientemente rápido como para que se pueda palpar, aunque sea por un momento, antes de que se convierta en hielo sólido.
