Científicos estadounidenses han encontrado pruebas de que la superficie del agua líquida, incluso a temperatura ambiente, tiene una estructura que se parece cada vez más al hielo a medida que se acerca a la interfaz agua-aire. Phillip Geissler y Nathan Odendahl de la Universidad de California, Berkeley, realizó simulaciones por computadora de la interfaz desigual entre el aire y el agua y motivos ordenados identificados, que, según ellos, comparten importantes puntos en común con el hielo.
Desde la atmósfera hasta los pulmones humanos, muchos de los procesos más importantes del planeta ocurren en la superficie de una gota de agua, lo que da a esta investigación implicaciones potenciales en la física, la química y la biología.
"Las cosas que hemos trabajado durante tantas décadas para comprender sobre el agua en su entorno masivo simplemente se vuelven incorrectas en las interfaces", dijo Geissler, quien utilizó simulaciones para estudiar el agua a un nivel molecular no accesible en los experimentos. Las mediciones espectroscópicas de la interfaz aire-agua han producido resultados sorprendentes, sugiriendo enlaces de hidrógeno ordenados en la superficie. Geissler y Odendahl sentían curiosidad por las simulaciones anteriores, que sugerían que el hielo era el punto de referencia para la estructura del agua interfacial, pero no creían que estos resultados fueran concluyentes. Como resultado, idearon una forma de buscar estos patrones con mayor detalle.
Buscando estructura en el desorden
El agua líquida está desordenada, por lo que los investigadores sabían que las estructuras que buscaban serían difíciles de encontrar, ya que se extenderían sobre unas pocas moléculas y estarían enterradas bajo el ruido. Tenían la idea de que a los investigadores anteriores les faltaban detalles porque habían tratado la interfaz como un plano, cuando en realidad es suave y lleno de baches. El trabajo sobre las interfaces blandas aire-agua fue pionero hace más de 10 años y reveló capas paralelas a la superficie, pero Geissler y Odendahl fueron los primeros en utilizarlo para buscar un vínculo con el hielo.
Geissler dijo que se sorprendió cuando Odendahl le mostró los primeros resultados superponiendo las interfaces hielo y agua-aire. Argumentan que, con el detalle adicional de la interfaz instantánea, las capas en la superficie del agua se pueden dividir en subcapas (ver figura arriba). Las subcapas paralelas son una característica de la cara basal del hielo y presentan lo que el dúo está convencido es un parecido sorprendente entre estas capas en las interfaces hielo y agua-aire.
Utilizando estas subcapas como punto de referencia, Geissler y Odendahl compararon las orientaciones de las moléculas, sabiendo que esto está bien definido para las moléculas de agua tetraédricas en el hielo. Cuando los investigadores mapearon la dirección favorecida de los enlaces oxígeno-hidrógeno cerca de la superficie del agua, observaron un orden que, según argumentaron nuevamente, parece corresponder a una cara de hielo. Estos patrones se mantienen en unos pocos diámetros moleculares, que son más grandes que las estructuras tetraédricas transitorias que se esperan en el agua a granel.
La simetría rota obliga al agua a organizarse
Argumentando sus conclusiones, Odendahl dijo: “Tener esa interfaz flexible realmente nos dio la confianza para decir que no se trata sólo de un par de métricas aleatorias. Si nos fijamos en la densidad, si nos fijamos en la orientación, si nos fijamos en las múltiples capas, todo lo que miramos, parecía haber una coincidencia”.
El agua demuestra estar eléctricamente muerta en las interfaces
Sin embargo, interpretar la investigación sobre la mecánica estadística de los líquidos siempre resulta polémico. El continuo debate sobre la interfaz agua-aire se reducirá a la cuestión fundamental de cómo se define el hielo y si se puede decir que una estructura que se extiende sobre sólo unas pocas moléculas tiene propiedades cristalinas. Reflexionando sobre sus resultados, Geissler dijo: "Ahora tenemos este punto de referencia estructural para pensar en estos motivos estructurales, y creo que, al final, resultará ser una herramienta conceptual muy útil".
La investigación se describe en el Revista de la Sociedad Americana de Química.
