Michelle da Silva Liberato
Imagen tomada por microscopía electrónica de microtubos de difenilalaninaMichelle da Silva LiberatoNormalmente, a una temperatura de cero grado Celsius (ºC), el agua se solidifica, transformándose en hielo. No obstante, en ciertas condiciones específicas, incluso a temperaturas ubicadas bastante por debajo del punto de congelamiento, la misma se mantiene líquida y presenta propiedades termodinámicas peculiares. Un grupo de investigadores de la Universidad Federal del ABC (UFABC) cree haber descubierto un comportamiento singular en las moléculas de H2O cuando se las somete a una situación extrema. Cuando se encuentra atrapada en micro y nanotubos construidos con el compuesto orgánico difenilalanina y se la somete a una temperatura de 204 Kelvin (K), es decir, -69,15ºC, no sólo permanece en estado líquido, algo que ya se conocía, sino que exhibe simultáneamente dos fases distintas, una posibilidad teórica hasta ahora no demostrada en laboratorio. “Al almacenarla en esas condiciones controladas, hay coexistencia de agua con alta y baja densidad”, afirma el físico Herculano Martinho, de la UFABC, uno de los autores del experimento que aportó evidencias de la aparición de ese doble ordenamiento de las moléculas de H2O cuando se las somete a las condiciones descritas arriba.
Los resultados del estudio, llevado a cabo sin alterar la presión atmosférica incidente sobre las diminutas estructuras con agua atrapada, se publicaron el 1º de junio en el periódico científico Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP). Las muestras de H2O líquidas se analizaron mediante técnicas de espectroscopia Raman, capaces de determinar en alta resolución los detalles estructurales de un material o sustancia, y de difracción de rayos X. Los investigadores detectaron evidencias de dos “firmas fisicoquímicas” distintas para el agua atrapada en los micro/ nanotubos a -69ºC. “Utilizamos los nanotubos más sencillos que existen para estudiar las propiedades del agua confinada”, explica el químico Wendel Alves, de la UFABC, otro de los autores del estudio. Los trabajos del grupo coordinado por el binomio de investigadores son financiados por la FAPESP y por el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq).
La retención del agua en micro/ nanotubos de esa molécula biológica es más fácil de lo que un lego podría imaginar. Todo el proceso transcurre en forma espontánea, natural, sin ningún control de temperatura y presión, según una fórmula ya comprobada. El primer paso consiste en la síntesis, en laboratorio, o en la adquisición de la difenilalanina, un péptido presente en la formación de fibras beta-amiloides en la enfermedad de Alzheimer, que puede ordenarse en forma de micro/ nanotubos mediante un proceso de cristalización. “Mezclamos los aminoácidos con alcohol butílico y agua”, informa Martinho. En un lapso de una o dos horas, se forman las diminutas estructuras de difenilalanina con moléculas de agua en el interior de los canales. “Los nanotubos funcionan como una esponja y retienen el agua”, compara Alves.
Thiago de Carvalho Cipriano
Cada hilo del microtubo es un nanotuboThiago de Carvalho CiprianoA simple vista, las estructuras en estudio no pasan de ser un montoncito de polvo blanco. A nivel molecular, el ordenamiento interno del material es más complejo, si bien resulta fácil de lograrlo. Las moléculas de difenilalanina se unen en grupos de seis y forman una estructura circular. En el centro de ese hexámero, un espacio equivalente a un nanómetro de diámetro, quedan retenidas en promedio unas 24 moléculas de H2O. Esas estructuras circulares con agua en el medio se unen entre sí en el plano vertical y originan nanotubos. La unión de varios nanotubos configura un microtubo de difenilalanina (observe el cuadro).
Los nanotubos funcionan en forma similar a ladrillos porosos que se apilan para configurar las paredes permeables al agua del microtubo. La facilidad y el bajo costo de producción de esas estructuras convirtieron a los estudios con nanotubos elaborados con péptidos en un tema frecuente en la literatura científica actual. Hay grupos en Brasil y en el exterior que están evaluando la posibilidad de utilizarlos en diferentes áreas, tales como biosensores, transporte de fármacos en el interior del cuerpo humano o incluso como generadores de energía en miniatura (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 174).
El segundo punto crítico
Al saberse que contienen agua líquida en su interior, los micro/ nanotubos de difenilalanina resultan una buena estructura para el análisis de posibles alteraciones en las propiedades de las moléculas de H2O a bajas temperaturas. “La comprensión del comportamiento del agua retenida es importante para la biología e incluso para la industria espacial”, comenta Martinho. “Una buena parte del agua en el cuerpo humano se encuentra almacenada en nano y microcanales. En el espacio, una parte de la corrosión de los equipos se produce por la acumulación de agua en nanoporos”. En su experimento, Martinho, Alves y sus colegas analizaron el comportamiento del agua confinada en el intervalo de temperatura entre 290 K (16,85ºC) y 10 K (-263,15ºC). A los 204 K, registraron un comportamiento anómalo en el agua, que denotaría la coexistencia de distintos ordenamientos en las moléculas de H2O.
A la posibilidad de que el agua líquida superrefrigerada presente concomitantemente dos fases diferentes, se le denomina en la jerga de los fisicoquímicos su segundo punto crítico. Por definición, el punto crítico de un material está representado por una determinada temperatura y una cierta presión donde dos estados distintos de esa sustancia, casi siempre los estados líquido y gaseoso, coexisten. En otras palabras, se trata de una situación sumamente específica en que no se logra definir si el material es líquido o gaseoso, puesto que es ambos simultáneamente.
El agua exhibe un (primer) punto crítico cuando se la calienta a 647 K (374ºC) y se la mantiene a una presión 218 veces mayor que la atmosférica. En esa situación, no se logra diferenciar el agua líquida de su vapor. En las últimas dos décadas, varios autores propusieron que el agua, a bajísimas temperaturas, podría presentar un segundo punto crítico, en el cual se mantendría bajo la forma líquida, pero tendría dos densidades distintas, una más, y otra menos viscosa. Como en esas condiciones, prácticamente todo cristaliza, esa hipótesis teórica resulta de difícil comprobación. “El confinamiento del agua evita que se forme el cristal y, de tal modo, el segundo punto crítico resultaría visible”, dice la física teórica Márcia Barbosa, de la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS), quien estudia comportamientos anómalos de las moléculas de H2O. “El artículo de los investigadores de la UFABC reporta indicios de un segundo punto crítico del agua. No se trata de un tema cerrado, pero constituye un gran avance”.
Proyecto
Autoorganización jerárquica de péptidos anfifílicos: mecanismos fundamentales y potenciales aplicaciones (nº 2013/12997-0); Modalidad Apoyo a la Investigación – Regular; Investigador responsable Wendel Alves (UFABC); Inversión R$ 374.155,00
Artículo científico
FERREIRA, P. M. et al. Relaxation dynamics of deeply supercooled confined water in L,L-diphenylalanine micro/nanotubes. Physical Chemistry Chemical Physics. 1º jun. 2015.
