El trabajo con participación de un equipo del CSIC arroja luz a la investigación de las anómalas propiedades del H₂O

¿Hasta qué punto es posible enfriar el agua sin que se congele? Es una pregunta que los científicos que estudian las propiedades anómalas del H₂O, que pueden afectar al clima y que han sido clave en preservar la vida en el planeta, se han hecho muchas veces. Un equipo con participación de investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha arrojado luz a esta cuestión al demostrar que el agua líquida pura puede existir a 43 grados bajo cero, el mínimo alcanzado hasta ahora. Los resultados aparecen publicados en el último número de la revista Physical Review Letters.

El agua tiene unas propiedades anómalas, como por ejemplo, su densidad, que es máxima a 4 °C, o el hecho de que su forma sólida sea menos densa que el estado líquido. Estas peculiaridades han permitido preservar la vida en el fondo de los lagos helados durante las glaciaciones y afectan al clima terrestre porque los casquetes helados flotantes no modifican el nivel de los océanos. Algunas de esas anomalías, como la capacidad calorífica (la cantidad de energía necesaria para cambiar la temperatura de una sustancia) se acentúan cuando el agua se enfría por debajo del punto de congelación (0 °C).

“El origen de esa anomalía se achaca a la peculiar estructura de puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua, pero no se dispone de una explicación detallada a nivel molecular. Una manera de ahondar en este conocimiento es estudiando la estructura del agua líquida subenfriada, que es aquella que permanece en estado líquido por debajo del punto de congelación”, explica el investigador del CSIC José María Fernández, que trabaja en el Instituto de Estructura de la Materia.

Las moléculas de H₂O en su estado líquido o sólido se enlazan entre sí mediante puentes de hidrógeno, formando una red tridimensional. Esta red es la responsable de que el agua sea líquida a temperatura ambiente y de sus anómalas propiedades.

“Cuanto más se enfría el agua por debajo de 0 °C, más inestable se vuelve respecto a su conversión en hielo, por eso el agua profundamente subenfriada es tan inaccesible”, agrega el investigador del CSIC, cuyo trabajo supone un nuevo método para medir la temperatura de las microgotas de agua líquida con una precisión de +/-0,6 C°.

Los experimentos han consistido en preparar una fila muy uniforme de gotas diminutas, de unas seis micras de diámetro, dentro de una cámara de vacío. “Al viajar en el vacío, a una velocidad de 72 km/h, las gotas se enfrían rápidamente por evaporación superficial. Para determinar si las gotas seguían siendo líquidas en un punto o se habían congelado, las iluminamos con un haz láser focalizado, y analizamos espectralmente la luz dispersada por ellas”, señala Fernández.

La técnica para producir agua líquida subenfriada se puede emplear en otros experimentos para su determinación estructural, como difracción de rayos X en sincrotrón, o difracción de neutrones, así como aplicarla a experimentos de microgotas de otros líquidos subenfriados para medir con precisión su temperatura.

Claudia Goy, Marco A. C. Potenza, Sebastian Dedera, Marilena Tomut, Emmanuel Guillerm, Anton Kalinin, Kay-Obbe Voss, Alexander Schottelius, Nikolaos Petridis, Alexey Prosvetov, Guzmán Tejeda, José M. Fernández, Christina Trautmann, Frédéric Caupin, Ulrich Glasmacher, and Robert E. Grisenti. Shrinking of Rapidly Evaporating Water Microdroplets Reveals their Extreme Supercooling. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.015501