Científicos estudian la transición crítica en agua que se mantiene líquida muy por debajo de 0 °C

Este modelo teórico postulado por investigadores brasileños puede aplicarse a cualquier sistema en donde coexistan dos escalas de energía

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El agua puede mantenerse líquida a temperaturas muy inferiores a 0 °C. Esa fase, a la que se le da el nombre sobrefusión o superenfriamiento, constituye un tema actual de la investigación científica. Y un modelo teórico desarrollado en la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en Brasil, demostró que en el agua superenfriada existe un punto crítico en el cual magnitudes tales como la expansión y la compresibilidad térmica exhiben un comportamiento anómalo.

Este estudio estuvo coordinado por Mariano de Souza, docente del Departamento de Física del Instituto de Geociencias y Ciencias Exactas de la Unesp (en su campus de la localidad de Rio Claro), y contó con el apoyo de la FAPESP. Y un artículo al respecto, elaborado por De Souza y sus colaboradores, salió publicado en la revista Scientific Reports.

“Nuestro estudio demostró que ese segundo punto crítico constituye un análogo de aquel que se concreta en la franja de los 374 °C y bajo una presión del orden de los 22 megapascales, cuando el agua transita entre los estados líquido y gaseoso”, declaró De Souza a Agência FAPESP.

En el rango de los 374 °C coexisten en el agua dos fases: una líquida y otra gaseosa. La génesis de este comportamiento exótico puede observarse en el interior de una olla de presión, por ejemplo. En este punto, las propiedades termodinámicas del agua empiezan a exhibir un comportamiento anómalo. Por eso se lo califica como “crítico”.

En el caso del agua superenfriada, también coexisten dos fases, pero ambas son líquidas: una más densa y la otra de menor densidad. Si se sigue enfriando el sistema apropiadamente por debajo de 0 °C, existe un punto en el diagrama de fases donde la estabilidad de ambas fases se rompe. Y el agua empieza a cristalizarse. Este es el segundo punto crítico, que se determinó teóricamente en el estudio mencionado.

“Este estudio mostró que ese segundo punto crítico se concreta en la franja de temperatura de 180 kelvin [aproximadamente -93 °C]. Por encima de ese punto, es posible que exista agua líquida, la llamada agua superenfriada”, declaró De Souza. 

“Lo más interesante es que el modelo teórico que desarrollamos para el agua puede aplicarse a todos los sistemas en los que coexistan dos escalas de energía. Por ejemplo, un sistema superconductor a base de hierro que exhiba también una fase nemática [cuyas moléculas se alineen en líneas paralelas sueltas]. Este modelo teórico tuvo su origen en diversos experimentos de expansión térmica a bajas temperaturas realizados en nuestro laboratorio de investigación”, dijo. 

Este modelo universal se obtuvo mediante un perfeccionamiento teórico del llamado parámetro de Grüneisen, que así se denomina en alusión al físico alemán Eduard Grüneisen (1877-1949). En forma simplificada, puede decirse que este parámetro describe los efectos que ejercen las variaciones de temperatura y de presión sobre una red cristalina.

“Nuestro análisis de los parámetros de Grüneisen y pseudo Grüneisen puede aplicarse para investigar el comportamiento crítico en cualquier sistema con dos escalas de energía. Solo es necesario ajustar adecuadamente los parámetros críticos de acuerdo con el sistema de interés”, dijo De Souza.

Puede leerse el artículo intitulado Enhanced Grüneisen Parameter in Supercooled Water en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-019-48353-4.