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MATERIA CONDENSADA 

El lado extraño del agua

Un modelo teórico reproduce anomalías de las moléculas de H2O, tales como el superflujo y su rara difusión en el interior de nanotubos

050-053_AnomaliaAgua_209_1Imaginen un líquido que se desplaza más rápido cuando se encuentra recluido en un ambiente menor que cuando se lo encierra en uno mayor. Un compuesto que circula por un nanotubo, con un flujo cientos de veces mayor que el esperado si el mecanismo fuese similar al del agua saliendo por un grifo. Esa insólita sustancia es el agua, la ubicua H2O que cubre el 70% del globo terrestre, constituye más de la mitad del cuerpo humano y está involucrada en la producción y conservación de las formas de vida. La razón por la cual el agua presenta éstos y otros extraños comportamientos, es objeto de debates entre científicos y no es raro que surjan intrincadas explicaciones intentando justificar estos fenómenos, como lo es la idea de que este líquido presenta características cuánticas cuando se lo somete a determinadas condiciones. En los últimos diez años, la física teórica Márcia Barbosa, de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS), viene perfeccionando un modelo computacional que intenta explicar, en forma más sencilla, el mecanismo central que se hallaría por detrás de algunas excentricidades del agua, tales como las ya citadas.

Se sabe que los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua favorecen la formación de conglomerados con cuatro moléculas, los tetrámeros. La forma en que los cuartetos de moléculas interactúan entre sí resulta determinante para explicar buena parte de las anomalías del agua, según las simulaciones computacionales llevadas a cabo por el grupo de Barbosa. Es como si la unidad elemental para describir el comportamiento del agua no fuese la propia molécula, sino esos tetrámeros. En enlace de un cuarteto de moléculas con otros tiende a alternarse entre dos configuraciones preferenciales: una cerrada, más estable y con menor energía, donde las moléculas de un conglomerado se encuentran más alejadas de las moléculas del otro; y una segunda disposición, abierta, donde las moléculas que componen dos tetrámeros se encuentran más cercanas entre sí (obsérvese el recuadro). En concordancia con los experimentos virtuales de la física, la alternancia entre una y otra conformación ‒en la jerga científica, entre una mayor escala de distancia espacial entre los agrupamientos moleculares y otra menor‒ resulta suficiente para explicar la ocurrencia de ciertos comportamientos insólitos del agua. “En nuestras simulaciones, sólo observamos las anomalías cuando introducimos ese potencial de interacción de dos escalas”, dice Barbosa. “para nosotros, el agua es una mezcla de tetrámeros que establecen y rompen enlaces unos con otros”.

Si fuera cierto que, en ciertas situaciones, los tetrámeros pasan constantemente de una escala a otra, ese frecuente reordenamiento de su estructura altera la densidad del agua. Ora los agrupamientos moleculares están más próximos y el líquido se torna más denso, ora se hallan más lejos y la estructura queda menos densa. “En ése, nuestro potencial de interacción que procura imitar lo que ocurre en el agua, se produce una competencia entre escalas, lo cual genera una competencia entre ambientes u ordenamientos locales con diferentes densidades”, afirma el químico Paulo Netz, de la UFRGS, coautor en varios estudios junto a Barbosa. “De ese modo, logramos explicar muchas anomalías presentes en el agua”.

Ana Paula CamposEl objetivo reciente en las simulaciones de los investigadores son los comportamientos anómalos del agua exhibidos en diminutos ambientes cerrados. El modelo virtual de agua desarrollado por los brasileños reproduce, por ejemplo, las anomalías de difusión o de flujo de las moléculas de H2O en el interior de un nanotubo. En un trabajo publicado el 21 de mayo del corriente año en la revista Journal of Physical Chemistry B, Barbosa y sus colaboradores plasmaron el paso de su concepto de agua virtual a través de nanotubos con tamaño fijo, pero con distinto diámetro. El objetivo de la simulación era comprobar lo que sucedía con el flujo del líquido cuando atravesaba nanotubos gruesos y delgados. Como regla, el flujo de una cierta cantidad de un líquido por el interior de algo que se asemeja a un caño siempre aumenta a medida que el diámetro de la tubería decrece. Baste recordar que el agua sale con mayor “fuerza” cuando se estrecha el pico de una manguera. En un nanotubo, las simulaciones indican que el aumento del flujo es muy superior al previsto. “Algunos experimentos muestran un flujo 2 mil veces superior al esperado”, comenta Barbosa. “En nuestras simulaciones alcanzamos una cantidad 200 veces mayor que lo normal”.

El mecanismo que se encontraría por detrás de ese fenómeno guardaría relación con la forma en que los tetrámeros de H2O se reordenarían en el interior de los nanotubos. En función del diámetro del ínfimo conducto por donde circulan, las moléculas de agua presentarían dos configuraciones distintas: una más densa, que quedaría directamente en contacto con las paredes de los nanotubos envolviendo a otra agua menos densa, que compondría la parte central del líquido. “Ocurre como si se formara una ‘escarcha’ sobre las paredes del nanotubo que hiciera que el agua del centro fluyera fácilmente más rápido”, compara Barbosa, quien este año fue una de las cinco galardonadas con el premio internacional L’Oreal/ Unesco para Mujeres en la Ciencia.

Cualquiera sea el mecanismo relacionado con esa propiedad, el superflujo del agua no parece ser un desvío provocado en las simulaciones. Experimentos reales, con agua de verdad circulando por nanotubos, también arribaron a resultados similares. Una posible aplicación de esa propiedad radica en el desarrollo de nanofiltros para desalinizar el agua de mar. Como el agua fluye más rápido que la sal, el abordaje podría ser factible comercialmente.

Menos espacio, mayor movimiento
La extraña difusión del agua en ámbitos cerrados constituye otra anomalía que el equipo de Barbosa simula con éxito por medio de su modelo computacional. En realidad, fue en un trabajo teórico conjunto con Netz, en 2001, donde ella descubrió la anomalía de difusión. En términos simples, difusión es la capacidad de las moléculas para moverse en un cierto espacio, de difundirse por una determinada región. “La difusión de las moléculas en un líquido puede entenderse como (algo) similar al desplazamiento de la gente en una multitud”, compara Netz. “Supongamos que la muchedumbre se encuentre reunida en una plaza y que, de repente, tenga que desplazarse hacia una plaza menor, donde su movilidad se verá acotada. Esto es lo que ocurre con la mayor parte de los líquidos”. Cuando se eleva la presión sobre un líquido ‒o sea, disminuye su volumen y aumenta su densidad‒, el coeficiente de difusión se reduce. Las moléculas “andan” en forma más lenta. Con el agua, sin embargo, ocurre justamente lo contrario. La elevación de la presión conduce al aumento de su coeficiente de difusión. En tal condición, las moléculas del agua aceleran su movilidad en lugar de reducirla, como sería según el comportamiento estándar.

Una simulación retrata al agua recluida en nanocanales: propiedades únicas a -100ºC

Universidad de BarcelonaUna simulación retrata al agua recluida en nanocanales: propiedades únicas a -100ºCUniversidad de Barcelona

Ese comportamiento puede observarse en una simulación relatada por Barbosa y sus colaboradores en un artículo publicado el 23 de agosto del año pasado en la revista Journal of Chemical Physics. En el experimento, los tetrámeros de agua se encuentran en dos recipientes conectados por un nanotubo. Cuando las compuertas que taponan ambas extremidades del nanotubo se abren, las moléculas de agua comienzan a ingresar en el interior del nanotubo. Hasta un determinado diámetro del nanotubo, alrededor de 1 nanómetro, el agua se comporta de la manera tradicional. Un menor espacio significa menor difusión de sus moléculas. Empero, por debajo de ese límite, las moléculas pasan a “ir” más de prisa, en lugar de aminorar su desplazamiento. Así surge dicha anomalía de difusión. El mayor desplazamiento de las moléculas en el nanotubo más delgado ocurre, según Barbosa, porque un ámbito cerrado con tales dimensiones produce la referida competencia de escalas entre los tetrámeros. Cada conglomerado de moléculas de agua oscila entre las dos escalas de su potencial de interacción, entre situarse más cerca o más lejos de otros tetrámeros. Esa danza interna de cada grupo de cuatro moléculas reorganiza constantemente la estructura interna del agua. En los nanotubos mayores no se evidencia ese efecto y los tetrámeros de H2O tienden a permanecer solamente en la escala menos energética, la más estable.

Existen decenas de modelos teóricos que intentan explicar y reproducir mediante simulaciones computacionales algunas de las 69 anomalías térmicas, estructurales o dinámicas conocidas del agua. No todos los comportamientos extraños del H2O se manifiestan en circunstancias tan específicas, como sucede con las anomalías de difusión y de flujo dentro de nanotubos. Al ser tan habituales, algunas excentricidades del agua pasan casi desapercibidas. La mayoría de los líquidos reduce su tamaño y se torna más denso cuando se lo enfría. En el caso del agua ocurre lo contrario. A 0ºC, el hielo es un 9% menos denso que el agua. Por eso flota sobre el líquido. Otra extravagancia del agua puede comprobarse al bañarse en el mar. Quien haya estado en la playa en un día de calor intenso habrá notado que el agua siempre está bastante más fría que la arena. Ambas se encuentran expuestas a los mismos rayos solares, pero la sílice de la arena se calienta más que el océano. Esto sucede porque el agua posee un calor específico bastante mayor que el de la arena. Se necesita exponerla a una cantidad enorme de calor para que su temperatura varíe mínimamente. “Como contamos con bastante agua, su alto calor específico resulta benéfico para la vida”, afirma Barbosa.

Modelo minimalista
Para el fisicoquímico Munir Salomão Skaf, del Instituto de Química de la Universidad de Campinas (Unicamp), es “increíble” que un modelo tan económico como el que adoptó su colega de la UFRGS logre explicar incluso el comportamiento del agua recluida. “Contrariamente a los abordajes atomísticos ampliamente utilizados en la química y en la física para describir al agua como medio solvente, el modelo desarrollado por Barbosa puede clasificarse como ‘minimalista’”, sostiene Skaf. “Ella intenta captar lo más esencial en la física del problema de una manera sencilla. En el caso del agua, todo parece resumirse a la existencia de dos escalas espaciales distintas en las interacciones presentes en el líquido”. El físico teórico Giancarlo Franzese, de la Universidad de Barcelona, tiene una opinión similar. “Las aproximaciones que constituyen la base del modelo de Barbosa limitan parcialmente su capacidad para describir al agua, pero puede tomárselo como una interesante alternativa para describir sistemas con las mismas propiedades anómalas del agua”.

Siendo un productivo investigador en ese campo de estudios, Franzese publicó en 2011 una simulación que revela que el agua líquida atrapada en nanocanales y enfriada hasta alrededor de -100ºC ‒en efecto, el agua puede ser líquida a temperaturas tan bajas‒ presenta propiedades únicas. Aunque apuesta por la contribución que brindan modelos teóricos más simples, el italiano cree que algunas anomalías del agua sólo podrán explicarse por efectos cuánticos.

Artículos científicos
BORDIN, J. R. et al. Relation between flow enhancement factor and structure for core-softened fluids inside nanotubes. Journal of Physical Chemistry B. v.117, n.23, p. 7.047-56. 21 may. 2013.
BORDIN, J. R. et al. Diffusion enhancement in core-softened fluid confined in nanotubes. Journal of Chemical Physics. v. 137, n. 8. 23 ago. 2012.

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