Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Los estados de la materia son... ¿cuántos?

Cualquier niño medianamente escolarizado respondería rápidamente: “tres: sólido, líquido y gas”. Sin embargo la respuesta no es tan obvia para algunos físicos como los destacados científicos Yang Zhang y Sow-Hsin Chen del mundialmente famoso Instituto Tecnológico de Massachussetts. La prestigiosa revista PNAS de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos ha publicado recientemente un artículo referido a otra alternativa defendida por estos científicos.

Los estados de la materia son... ¿cuántos?
Ilustración :: Álex

AUTORES

Sow-Hsin Chen es profesor emérito de Ciencia Nuclear e Ingeniería en el MIT. Chino, de Taiwan, desde inicios de los años 60 del pasado siglo ha desarrollado su trabajo científico en USA, usando también las instalaciones europeas, ubicadas en Francia, de la Advance Photon Source (APS), en Argonne y la European Synchrotron Research Facility (ESRF) en Grenoble, siendo el tema principal de su trabajo la investigación con la técnica de espectroscopía neutrónica termal de diversas disoluciones, con un interés especial sobre la dinámica y la estructura del agua en estados sobreenfriados. Por ello, en el año 2008 le fue concedido el Premio científico Clifford G. Shull y sus trabajos han sido divulgados en diversos libros y revistas cualificados.

En cuanto a Yang Zhang, se doctoró recientemente en el MIT en Ciencia Nuclear e Ingeniería, bajo la dirección del prof. Chen.  Concretamente el trabajo doctoral de Zhang, versó sobre el extraño comportamiento del cambio de fases en diversas disoluciones y condiciones acuosas en geometrías confinadas. Hace un año le fue concedida la prestigiosa beca Clifford G. Shull para trabajar en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.  Recordemos que Clifford G. Shull fue Premio Nobel de Física en el año 1994 por su trabajo pionero en el estudio de la dispersión de neutrones.

AGUA

El agua es el material más abundante y usual en la superficie del planeta. Es una molécula simple, compuesta de tan solo tres átomos, dos de hidrógeno y uno de oxígeno. Conocemos mucho de ella pero sigue siendo una molécula con grandes misterios qué resolver. Por ejemplo, todos sabemos que el agua se expande en lugar de reducirse mientras se congela. Ello permite no sólo que los cubitos de hielo floten en la superficie de nuestros vasos de refresco sino que, a temperaturas bajas, en los lagos, mares y océanos con superficies congeladas que sirven de aislantes, bajo las mismas, el agua permanezca líquida y haga posible la vida en el seno inferior de las aguas y el desarrollo y evolución de las especies. Podríamos intentar explicarlo como consecuencia de la geometría y los enlaces de las moléculas de agua, pero ello no es sino la consecuencia de factores que se encuentran en la base de esas propiedades y que, hasta ahora, han sido difíciles de identificar. A partir de ahí, adquiere sentido la frase de Zhang: “el agua es probablemente la sustancia más rara que hay en la Tierra. Actúa de una forma muy diferente de otros productos”.

Todos sabemos que es relativamente fácil producir agua superenfriada que permanece en estado líquido por debajo del punto de congelación normal (es la base del uso de la sal para luchar contra las nevadas). El agua también puede ser supercalentada hasta muy por encima del punto de ebullición, comenzando de repente a hervir globalmente sólo si es perturbada del modo apropiado. Tanto en la congelación como en la ebullición, el agua generalmente necesita un punto de nucleación, es decir una burbuja o algo comparable, para que se inicie el cambio de fase.

Y todas las sustancias suelen experimentar transiciones de fase entre los tres conocidos estados básicos de la materia, sólido, líquido y gaseoso. En ellas, las propiedades de la sustancia suelen variar rápida y significativamente.  La sugerencia de la existencia de dos fases líquidas par el agua se enunció hace unas dos décadas pero hasta ahora no existía ni siquiera indicios que apoyaran la idea. Para Chen y Zhang, efectivamente, la posible explicación de algunas de las raras propiedades del agua radica en que se puede presentar no en una sino en dos tipos diferentes de fases líquidas, dos estados independientes en los que el agua está líquida. Estos estados son caracterizados por diferentes densidades y ello podría explicar algunas de sus curiosas propiedades.

CONSECUENCIAS

La  investigación de Zhang y Chen sometió el agua a una amplia gama de presiones y temperaturas, en condiciones especiales. Así, llegaron a investigar agua líquida en un rango de 170 grados centígrados, llegando a temperaturas inferiores a los menos 60 grados centígrados. En cuanto a la presión sucedió otro tanto, cambiándola desde la presión atmosférica normal a nivel del mar (a 1 bar) hasta unas 3.000 veces esa cantidad. Los resultados aportan evidencias de la existencia de la sospechada transición líquido-líquido, aunque se necesitará investigar más antes de poderlo afirmar con rotundidad. También comprobaron la predicha existencia de una diferencia en la densidad del agua al acercarse a la temperatura de transición pronosticada, desde direcciones opuestas.

Los resultados no son solo elucubraciones teóricas pues podrían tener repercusiones notables en campos que van desde la biología hasta la construcción, debido a que el comportamiento del agua influye en muchos procesos importantes. Es conocido el hecho de que la mayor parte de los organismos vivos no son capaces de revivir después de experimentar temperaturas más frías que 45 grados centígrados bajo cero, lo que se explicaría se explica por la transición del agua hacia un estado de menor densidad, que impide que funcionen apropiadamente las proteínas, imprescindibles para el metabolismo de los organismos vivos.

Algo semejante puede ocurrir en el sector de la construcción, porque el hormigón contiene diminutas cantidades de agua que pueden causar que en edificios y carreteras de regiones polares aparezcan grietas severas cuando las temperaturas descienden  debajo de esos 45 grados bajo cero.