Pensándolo bien...

Por cotidiana, accesible y próxima, el agua nos parece simple, sencilla, elemental. Nada más lejos de la realidad. Es uno de los líquidos más complejos que ha propiciado la Naturaleza. En la actualidad se siguen descubriendo características nuevas, que explican alguno de sus comportamientos anómalos.

El agua juega un papel fundamental para la existencia de vida en la Tierra. Es el principal componente del cuerpo humano: ya que tenemos un 75% de agua al nacer y aproximadamente un 65% en edad adulta.

Al contrario de lo que ocurre con la mayoría de los líquidos, la densidad del agua es menor en estado sólido (0,92 g/l) que en estado líquido (1 g/l). Esto significa que, según el principio de Arquímedes, el empuje que recibe el agua sólida en un líquido de ella misma, es el peso del volumen de agua desalojada. Por consecuencia, al ocupar una cantidad de agua un volumen mayor, cuando es sólida, desaloja más líquido (agua) que esa porción cuando es líquida y, por tanto, el empuje que recibe el agua sólida es mayor. El resultado final es que el hielo flota. Un cubito en un vaso de agua, queda en la superficie. Un iceberg queda flotando en el mar. Al mismo tiempo, el agua permanece líquida por debajo, aun cuando en la superficie se haya congelado. Gracias a ello hay vida por debajo del hielo.

No es esta anomalía la única que exhibe el agua. La tensión superficial del agua es extraordinariamente elevada. Es esa fuerza que se ejerce sobre cualquier cuerpo dispuesto sobre la superficie del líquido que no se compensa con otras moléculas por tener aire por encima. Es la responsable de que algunos insectos caminen sobre la superficie del agua. El ascenso de los líquidos por los tubos capilares, la acción coloidal o la detergencia, son otros ejemplos de la presencia de las fuerzas superficiales. Otra característica singular es la extraordinaria capacidad de almacenar calor. Para calentar un kilo de agua 1 grado centígrado a una temperatura de 20 ºC se requiere una energía de 4.183 kilojulios/ K. Mientras que si es hielo solamente se requieren 2.1 kj y si es aluminio 0.9 kj. Esta enorme cantidad de calor necesario para elevar la temperatura un solo grado, es el mismo que ha de ceder para bajar un solo grado. El calor específico de la zanahoria y la patata es de 4.040.0 ± 0.1247  y  5.531 ± 1.6647 Kilojulios por gramo y por grado (el del hierro, ben conductor es de solo 0.534 ± 0.0147kJ/ºC gramo, muy próximos como vemos. Gracias a estos valores el agua actúa como regulador del clima, absorbiendo buena parte de la energía solar que llega a la Tierra y devolviéndola cuando ésta falta diariamente, actuando de termostato regulador. Todas estas propiedades anómalas son requisito indispensable para que la vida sea tal cual la conocemos hoy.

En tiempo reciente se ha descubierto una característica que puede dar lugar a explicaciones de alguna de las anomalías observadas en el agua. En la reciente publicación en Nature de un trabajo liderado por Nilsson, de la Universidad de Estocolmo y en colaboración con investigadores de la de Stanford, se ha observado en directo cómo los átomos de hidrógeno actúan sobre las moléculas de agua vecinas (haciendo vibrar los enlaces) al excitarlos con radiación láser. Es posible que en el descubrimiento efectuado, se pueda basar la explicación de las propiedades del agua y cómo actúa y en concreto como incide en el comportamiento a nivel molecular de las proteínas en los organismos vivos. Se le ha denominado efecto cuántico nuclear y describe que una red de enlaces entre los átomos de hidrógeno, que resultan cargados positivamente y los átomos de oxígeno, que lo están negativamente, se mantienen juntos (el denominado puente de hidrógeno), cosa que no es nueva. Pero si lo es la observación directa de como interactúa una molécula de agua con sus vecinas. La masa tan pequeña del hidrógeno le hace comportarse como una onda cuántica y en el trabajo referido demuestran por ver primera que la respuesta que se observa de la red de enlaces de hidrógeno a un impulso de energía en el marco de la mecánica cuántica, como todos los procesos moleculares, con espaciados energéticos descritos por la mecánica cuántica y en los que descansan las propiedades del agua.

Se trata de que se ha observado, no conjeturado ni teorizado, sobre el comportamiento cuántico de la molécula de agua. Las dificultades en tal observación se debían a que los enlaces de hidrógeno son sumamente rápidos en sus propiedades de vibración y, naturalmente, pequeños. Se han podido obviar las dificultades empleando una cámara de electrones de alta velocidad para detectar los movimientos moleculares, consecuencia de la dispersión de un haz de electrones que se ha hecho incidir sobre la muestra. La secuencia experimental consistió en generar chorros de agua líquida de 100 nanometros de espesor, lo que supone que son unas 1000 veces más delgados que el ancho de un cabello humano y se hizo incidir sobre esta chorro una luz láser con frecuencia del infrarrojo para incidir en la vibración de los enlaces. Sobre esta situación vibratoria se hizo incidir un pulso corto de electrones de alta energía (del orden del MeV). A partir de esta situación se obtuvieron instantáneas de la estructura atómica registrando los cambios de las moléculas. Al unir los fotogramas se obtuvo una película que reflejaba el movimiento de cómo respondía la red de moléculas de agua a la luz incidente. El estudio se centró en grupos de tres moléculas de agua y se evidenció que cuando una molécula de agua excitada inicia la vibración, su átomo de hidrógeno tira de los átomos de oxígeno de las moléculas de agua vecinas, antes de ejercer la repulsión que expande el espacio entre las moléculas. Las técnicas de espectroscopía que se han utilizado hasta ahora no ponían de relieve estos detalles. Ahora se ha visto directamente cómo se mueven. Es decir, se dispone de una técnica que posibilita obtener información de la naturaleza cuántica de los enlaces de hidrógeno y cómo actúa e incide en las propiedades moleculares del agua y, por ende, su papel en muchos procesos biológicos y químicos, incluidos el origen de la propia vida, gracias a la mediación del agua.

En este marco el descubrimiento más reciente, pues, conlleva que el agua existe en dos estados líquidos que tienen grandes diferencias, tanto en estructura como en la densidad de aquélla. Como señala Nilsson “La característica más novedosa y destacable es que hemos encontrado que el agua puede existir como dos líquidos diferentes a temperaturas bajas, en las que la cristalización del hielo es lenta”. Es decir, el agua no es un líquido complicado, sino dos líquidos simples con una relación complicada. Un estado cristalino del agua se transforma en un líquido viscoso que se transforma, casi inmediatamente, en un líquido diferente, incluso más viscoso, de una densidad mucho más baja. La importancia de la aportación es, además del alcance del conocimiento básico descubierto, una mayor comprensión de la molécula del agua, lo que podría aportarnos pistas para conocer más acerca del origen de la vida e incluso conducirnos a nuevos conocimientos sobre cómo purificar y desalinizar el agua en el futuro.