El agua es una de las moléculas más abundantes del universo, y tiene una composición química simple de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Sin embargo, esta molécula abundante y aparentemente simple encierra propiedades asombrosas derivadas de las peculiares configuraciones moleculares e intermoleculares del agua. Empezando por la configuración molecular, en la que los átomos de hidrógeno y los pares de electrones no enlazados del átomo de oxígeno forman una molécula tetraédrica: ingenuamente, podríamos suponer que la disposición de enlace más sencilla sería la de una molécula lineal, como el dióxido de carbono (que, por consiguiente, no existe como líquido y pasa directamente de sólido a gas por sublimación); sin embargo, en una molécula de agua los átomos de hidrógeno se unen al único átomo de oxígeno con un ángulo de enlace específico de 104,5°. Esta configuración tetraédrica de la molécula de agua produce un dipolo eléctrico parcial que hace que el agua sea iónicamente interactiva y le confiere propiedades únicas, como ser el disolvente universal. También subyace a algunas de las anomalías termodinámicas del agua líquida, como una menor densidad a temperaturas más bajas debido a la formación de redes de enlaces de hidrógeno coordinadas tetraédricamente. El agua líquida forma redes intermoleculares estructuradas de tal manera que -a diferencia de casi todos los demás líquidos- el agua se expande al enfriarse y su fase sólida (hielo) es menos densa que su fase líquida.
Estas características únicas y aparentemente anómalas del agua líquida la convierten en la molécula fundacional de la vida. Funciona como medio central de intercambio de información y coordina la actividad de un gran número de macromoléculas complejas: determina la forma y la función de las proteínas, el ADN, el ARN y los lípidos, y hace posible la bioquímica que está en la base del sistema vivo.
El agua es necesaria tanto para la evolución de la vida como para su continuidad. Posee propiedades particulares que no pueden encontrarse en otros materiales y que son necesarias para los procesos que dan vida. Estas propiedades se deben al entorno de enlaces de hidrógeno, especialmente evidente en el agua líquida. Cada molécula de agua líquida está implicada en unos cuatro enlaces de hidrógeno con fuerzas considerablemente menores que los enlaces covalentes, pero considerablemente mayores que la energía térmica natural. Estos enlaces de hidrógeno están dispuestos de forma aproximadamente tetraédrica, de manera que cuando se forman fuertemente la agrupación local se expande, disminuyendo la densidad. Esta estructuración de baja densidad se produce de forma natural a temperaturas bajas y superenfriadas y da lugar a muchas propiedades físicas y químicas que evidencian la particular singularidad del agua líquida. Si los enlaces de hidrógeno acuosos fueran algo más fuertes, el agua se comportaría como un cristal, mientras que si fueran más débiles, el agua sería un gas y sólo existiría como líquido a temperaturas bajo cero.
Martin Chaplin, La fuerza de los enlaces de hidrógeno del agua
Dada la importancia de esta pequeña molécula que tanto hace, los científicos están ansiosos por desvelar y comprender más de sus secretos ocultos en sus redes moleculares. Uno de estos estudios ha dado un gran paso en esta dirección al demostrar que existe una clara distinción topológica entre sus dos redes líquidas superenfriadas, cada una de diferente densidad, un hallazgo que podría tener implicaciones de gran alcance para la comprensión de las transiciones de fase líquido-líquido en líquidos tetraédricos como el agua.
El estudio, publicado en la revista Nature Physics [1], demuestra que en el agua profundamente superenfriada se produce una transición de fase líquido-líquido en la que una red intermolecular no enredada y de baja densidad pasa a un líquido enredado y de alta densidad que contiene motivos topológicamente complejos como los nudos trébol y el enlace de Hopf (véase la imagen inferior).
Así lo describe en un post la Sapienza Università di Roma, donde se realizó en parte la investigación:
El autor principal, Andreas Neophytou, estudiante de doctorado de la Universidad de Birmingham, afirma que «este descubrimiento nos ha proporcionado una visión completamente nueva de lo que ya es un problema de investigación de hace 30 años, y esperamos que sea sólo un nuevo comienzo». El equipo de investigadores descubrió primero la distinción topológica de los dos líquidos en un modelo coloidal del agua, y después en dos modelos moleculares del agua ampliamente utilizados, mediante simulaciones por ordenador. Los coloides son partículas que pueden ser mil veces mayores que una sola molécula de agua. En virtud de su tamaño relativamente mayor y, por tanto, de sus movimientos más lentos, los coloides suelen denominarse «átomos grandes» y se utilizan para observar y comprender fenómenos físicos que también ocurren a escalas de longitud atómica y molecular mucho más pequeñas.
Varios expertos han destacado la importancia de este extraordinario estudio:
Pablo Debenedetti, catedrático de Ingeniería Química y Biológica de la Universidad de Princeton (EE.UU.) y experto mundial en este campo de investigación, señala: «Este hermoso trabajo computacional descubre la base topológica que subyace a la existencia de distintas fases líquidas en la misma sustancia formadora de redes». Y añade: «De este modo, enriquece y profundiza sustancialmente nuestra comprensión de un fenómeno que, según abundantes pruebas experimentales y computacionales, es fundamental para la física del más importante de los líquidos: el agua». Christian Micheletti, catedrático de la Escuela Internacional de Estudios Avanzados de Trieste (Italia), cuya investigación actual se centra en la comprensión del impacto del entrelazamiento, especialmente nudos y enlaces, en la estática, cinética y funcionalidad de los biopolímeros, señala: «Con este único artículo, Neophytou et al. han realizado varios avances que tendrán consecuencias en diversos ámbitos científicos. En primer lugar, su modelo coloidal del agua, elegante y fácil de aplicar experimentalmente, abre perspectivas totalmente nuevas para los estudios a gran escala de los líquidos. Además, aportan pruebas fehacientes de que las transiciones de fase que pueden resultar difíciles de detectar en el análisis tradicional de la estructura local de los líquidos se detectan fácilmente rastreando los nudos y enlaces de la red de enlaces del líquido. La idea de buscar estas complejidades en el espacio algo abstracto de los caminos que recorren los enlaces moleculares transitorios es muy poderosa, y espero que se adopte ampliamente para estudiar sistemas moleculares complejos». (https://www.phys.uniroma1.it/fisica/archivionotizie/topological-nature-liquid-liquid-phase-transition-tetrahedral-liquids)
Documento de Referencia:
[1] Neophytou, A., Chakrabarti, D. & Sciortino, F. Topological nature of the liquid–liquid phase transition in tetrahedral liquids. Nat. Phys. 18, 1248–1253 (2022). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01698-6
