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Un modelo teórico unifica los diferentes escenarios sobre el comportamiento del agua a bajas temperaturas

agua helada

Giancarlo Franzese

Giancarlo Franzese

28/01/2010

Un estudio teórico sobre el comportamiento del agua a temperaturas cercanas a los -100 ºC permite concluir que los cuatro escenarios que se conocían hasta ahora son casos particulares de un modelo teórico más general. Este trabajo, que ha sido publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), está codirigido por Giancarlo Franzese, profesor del Departamento de Física Fundamental de la Facultad de Física de la UB, y por H. Eugene Stanley, director del Center for Polymer Studies de la Universidad de Boston, con la participación también de Kevin Stokely y Marco G. Mazza, de la Universidad de Boston.

El agua se caracteriza por tener un comportamiento altamente anómalo, tanto desde el punto de vista macroscópico como microscópico en comparación con otros fluidos. Concretamente, puede mantenerse en estado líquido incluso a -92 ºC (a 2 kbars de presión). Hasta ahora, para explicar el comportamiento del agua a estas temperaturas se habían propuesto cuatro escenarios. Tal como explica Franzese, «las cuatro interpretaciones que existen hacen distintas hipótesis. En particular, se diferencian entre ellas en relación con la existencia o no de dos fases líquidas distintas, una de densidad menor que la otra, así como con la existencia o no de un punto crítico».

Las anomalías del agua se deben principalmente a las propiedades de los puentes de hidrógeno. Según se ve en el modelo, existen dos cantidades físicas clave que determinan cuál de los cuatro escenarios describe mejor el estado del agua. Por un lado, el valor de la componente direccional del puente de hidrógeno y, por otro, el valor de la componente cooperativa del puente de hidrógeno. Según Franzese: «hemos encontrado que el balance entre estos dos componentes decide qué escenario es válido. Además, de acuerdo con las estimaciones experimentales, se puede concluir que de los cuatro escenarios, el correcto es aquel que supone un punto crítico entre los dos líquidos».
 
El agua en estado líquido es la base para la vida en la tierra, lo cual supone que afecta a numerosas ramas científicas que van desde la biología molecular a la geoquímica. En particular, los resultados de este trabajo se aplican a disciplinas más concretas, como la criogenia, la criobiología, la crioterapia o la criopreservación de material orgánico; por ejemplo, de células madre, óvulos o espermatozoides, así como también de alimentos a bajas temperaturas. En criopreservación, el material orgánico se conserva entre los -80 ºC y -196 ºC, y se sabe que por debajo de los -53 ºC la mayoría de proteínas pierden su funcionalidad. Recientemente se ha propuesto que esto puede deberse a un cambio de la dinámica del agua, de ahí la importancia de conocer el comportamiento molecular del agua a estas temperaturas.
 

Artículo:

Effect of hydrogen bond cooperativity on the behavior of water. 

Kevin Stokely, Marco G. Mazza,H. Eugene Stanley i Giancarlo Franzese
PNAS, 26 de enero de 2010, vol. 107,  nº 4, 1301-1306

 

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