Descubren un nuevo estado de la Materia del Agua

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Formación de cristales de berilio (esmeralda).

Tradicionalmente se conocía que el agua presentaba tres estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso, todo esto en función de la temperatura.

Sin embargo, un equipo de investigadores descubrió un cuarto estado de la materia en el que el agua se presenta, lo cual desafía a la física tradicional y comienza a explicarse con la física cuántica.

¿Qué pasaría si de repente todo ese esquema físico se rompiese? ¿y si existe un nuevo estado del agua que no habíamos tenido en cuenta, o no habíamos descubierto hasta ahora? Evidentemente ahora tenemos una nueva forma de ver las cosas en el mundo de la física: La rama de la Física Cuántica.

Y es precisamente gracias a esto cómo los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía de Oak Ridge han descubierto un nuevo estado del agua, un estado que no puede denominarse líquido, sólido ni gas. Es algo totalmente nuevo, un estado donde las moléculas de agua se encuentran en condiciones extremas totalmente diferentes, y donde los efectos cuánticos tienen mucho que decirnos. Y no, no confundirlo con el recientemente descubierto Líquido Cuántico de Espín.

¿Cómo se ha descubierto el nuevo estado del agua?
sabias que

En el trabajo, publicado en Physical Review Letters, nos explican cómo se coloca esta molécula en un pequeño canal natural escindido a través de cristales hexagonales de mineral de berilo. El canal tiene el tamaño idóneo para albergar una única molécula de agua con tan solo 5 angstroms de diámetro (una diez mil millonésima parte de un metro).

Los átomos miden sólo 0.1 nanómetros de diámetro, por lo que estos canales son una especie de “jaulas” para las moléculas de agua, las cuales empiezan a “deslocalizarse“. O en otras palabras, como sucede en el mundo cuántico, los átomos son capaces de existir en múltiples estados a la vez.

curiosidades
En el caso de los estados cuánticos del agua, los átomos de hidrógeno pueden tener hasta seis tipos de orientaciones diferentes al mismo tiempo (como podéis ver en la imagen), formando un hexágono con el átomo de oxígeno atrapado en medio. En su forma natural, el agua tiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno y su configuración resultante parece un símbolo “>”. Sin embargo, en el mundo cuántico, las cosas son un poco más raras, pudiendo tener seis orientaciones diferentes y formando esta especie de hexágono.
El nuevo estado del agua solo existe en el mundo cuántico
Para que nos entendamos, la forma “natural” de la molécula de agua que conocemos es un átomo de oxígeno con un átomo de hidrógeno a cada lado, es su forma de enlazarse. En este nuevo estado del agua, las diferentes configuraciones del hidrógeno forman un hexágono alrededor de un átomo central de oxígeno.
Descubierto un nuevo estado de la Materia en el Agua.
Ahora la duda es, ¿cómo es posible ver esto?

Los físicos del Laboratorio Nacional de Energía de Oak Ridge dicen haberlo conseguido usando la dispersión de neutrones, donde estas partículas sondean las estructuras a nivel subatómico (en lugar de usar electrones o fotones, que sirven para que podamos tener imágenes de rayos X por ejemplo). Como los neutrones no tienen carga eléctrica, no alteran el estado del material estudiado, como sí sucedería con los electrones (carga negativa).

El nuevo estado del agua solo existe en el mundo cuántico
nuevo

A bajas temperaturas, esta tunelización del agua exhibe un movimiento de tipo cuántico a través de las paredes potenciales que no debería existir en la física clásica. Los átomos de oxígeno e hidrógeno de la molécula de agua se deslocalizan y comienzan a estar presentes de forma simultánea en todas sus seis posiciones simétricas al mismo tiempo. Es uno de esos fenómenos que solo ocurren en mecánica cuántica y no tienen equivalente en nuestra experiencia cotidiana.

Finalmente, también debemos tener en cuenta las posibles propiedades de este nuevo estado del agua, a pesar de que solo exista en el mundo cuántico.

Por un lado, el centro de la masa de la molécula del agua se encuentra en el átomo central de oxígeno. Asimismo, una molécula de agua en este estado pierde su momento dipolar eléctrico, es decir, no existe tanta carga positiva en el hidrógeno y negativa en el oxígeno porque tenemos un hexágono de hidrógenos alrededor del oxígeno.

Sin este momento dipolar eléctrico, una de las primeras consecuencias es que el agua dejaría de ser un “solvente universal”, que es la característica más llamativa a nivel biológico. En este caso, este nuevo estado del agua ya no podría usarse para hacer productos líquidos como la cerveza, el café, el té o las diferentes disoluciones que conocemos de forma cotidiana y que contienen una gran parte de agua.