Un equipo científico enfría agua hasta 43 grados bajo cero sin congelarla

En el laboratorio, el agua se puede enfriar muy por debajo de cero grados centígrados sin que congele. Teóricamente hasta 48 grados bajo cero, si está completamente libre de impurezas, pero nadie ha llegado a esa cifra. A temperaturas tan bajas, las moléculas de H₂O pierden energía y se empiezan a ordenar en tetraedros, de manera que el mínimo contacto con una superficie o la presencia de una minúscula partícula que actúe como núcleo precipitan la formación repentina de una estructura cristalina: el hielo. Quienes estudian este fenómeno llaman “tierra de nadie” a la fase líquida del agua por debajo de -40ºC, por la dificultad de acceder a ella experimentalmente. Ahora, un equipo internacional de físicos ha logrado enfriar agua líquida hasta 43 grados bajo cero, y lo demuestra con un método original muy preciso para medir la temperatura.

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El estudio, que aparece en el último número de la revista Physical Review Letters, no es un mero pasatiempo. El agua subenfriada —como se llama cuando permanece en estado líquido por debajo del punto de congelación— existe en la naturaleza, y su presencia influye en la cantidad de radiación solar que absorbe la Tierra. “Existen gotas minúsculas de agua subenfriada a temperaturas que alcanzan los 238 K [unos -35ºC] en las nubes más altas de la atmósfera. Una descripción precisa de la formación del hielo atmosférico podría ayudar a desarrollar modelos climáticos más fiables”, escriben los autores.

Para el experimento inyectaron un hilo finísimo de agua pura en una cámara de vacío. Al agitar la boquilla de la fuente con una frecuencia determinada, el tren de agua se rompe en gotitas idénticas, de unas seis micras de diámetro. Según viajan por la cámara, a 72 kilómetros por hora, las gotas van menguando por evaporación superficial. Como esto ocurre a costa de la energía térmica encerrada en el agua, la temperatura de las gotas disminuye dramáticamente conforme estas pierden volumen. Así, el líquido que entró a temperatura ambiente alcanza los 43 grados bajo cero en apenas unos centímetros de viaje. Finalmente se congela, antes de chocar contra la pared de la cámara.

Los científicos focalizaron un haz láser sobre las gotas para medir su temperatura

Los científicos calcularon la temperatura de las gotas en cada punto del trayecto —con un error de 0,6 grados— iluminándolas con un haz láser focalizado y analizando el espectro de luz dispersado por el agua. Las gotas de agua líquida son esferas perfectas debido a su tensión superficial; esto hace que amplifiquen ciertas frecuencias lumínicas (que son resonantes con su diámetro) pero no otras, dando unos picos característicos en el espectro de dispersión que permiten calcular muy precisamente su dimensión. “Por el tamaño sabemos cuánta agua se va evaporando, y con esto sabemos el enfriamiento que ha tenido que producirse”, explica el investigador del Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC) José María Fernández, que es uno de los autores del estudio.

Cuando los picos desaparecen del espectro de luz, los científicos saben que el agua se ha congelado, porque la estructura cristalina del hielo produce fracturas y caras poliédricas en la esfera que rompen la resonancia de las ondas lumínicas. “El agua es un líquido con propiedades muy anómalas por la estructura de puentes de hidrógeno que se forma entre las moléculas”, dice Fernández, “pero no se dispone de una explicación detallada a nivel molecular”. Estos puentes de hidrógeno son los que permiten que el agua sea líquida a temperatura ambiente cuando, por la posición de sus elementos (oxígeno e hidrógeno) en la tabla periódica, cabría esperar que fuese gas, como el amoníaco (NH₃) o el ácido sulfhídrico (H₂S).

El estudio del agua subenfriada pretende esclarecer la naturaleza de estas estructuras moleculares, que dan al H₂O las extraordinarias características que permiten la vida en la Tierra. Entre sus propiedades “anómalas”, el agua es una sustancia prácticamente única por ser menos densa en estado sólido que líquido, lo cual ha permitido preservar la vida bajo las superficies heladas de las grandes masas de agua durante las glaciaciones. También afecta a la vida terrestre porque el hielo que flota sobre los océanos apenas modifica el nivel del mar.