Nuevas propiedades del agua confinada a bajas temperaturas

Según un estudio liderado por el investigador Giancarlo Franzese, de la Universidad de Barcelona, y publicado en la revista Physical Review Letters, el nanoconfinamiento hidrofóbico puede modificar la termodinámica del agua a muy bajas temperaturas. Este resultado puede tener aplicaciones en campos relacionados con la conservación a temperaturas criogénicas, del orden de -100 ºC, como en el caso de la preservación de células madre, sangre o alimentos. En este estudio, encabezado por el profesor del Departamento de Física Fundamental de la UB Giancarlo Franzese, han participado investigadores de la Universidad de Boston y la Universidad Técnica de Berlín.

El agua es un fluido con un comportamiento atípico. Una de sus características particulares es que su capacidad calorífica aumenta al enfriarse, y este comportamiento anómalo es el que nos permite, por ejemplo, regular la temperatura de nuestro cuerpo. Además, cuando el agua se sobreenfría ―es decir, cuando permanece en estado líquido aunque su temperatura esté por debajo de su punto de congelación―, las anomalías aumentan. Este comportamiento ha alimentado un intenso debate científico en los últimos veinte años, y podría darnos la clave para entender por qué el agua es tan diferente del resto de líquidos y por qué es tan importante para los organismos biológicos.


Desde un punto de vista técnico, las observaciones directas del agua sobreenfriada son complicadas, por lo que los investigadores recurren al nanoconfinamiento. Mediante el método Monte Carlo de simulación matemática, en este trabajo los investigadores han estudiado una capa de agua de cerca de un nanómetro de alto ―aproximadamente el equivalente al diámetro de tres moléculas de agua―, confinada entre dos placas hidrofóbicas. Posteriormente, han añadido nanopartículas hidrofóbicas a la capa de agua en posiciones al azar con el objetivo de generar nanocanales de tamaño variable.

Como resultado de este proceso se ha observado una fuerte disminución de las fluctuaciones termodinámicas, relacionadas con la compresibilidad, el coeficiente de expansión térmica y el calor específico. Esta disminución ocurre a todas las presiones y, a presiones del orden de 180 MPa, llega a ser de casi el 99 % para una concentración de nanopartículas del 25 % en volumen. También se ha determinado que la disminución sigue siendo de casi el 90 % para una concentración diez veces más baja.

Según Giancarlo Franzese, estos resultados implican que el comportamiento termodinámico del agua confinada en nanocanales hidrofóbicos es muy diferente del comportamiento del agua sin confinamiento, incluso en relación con la posible presencia de más de una fase líquida dentro de estos rangos de temperaturas y presiones.

Referencia del artículo
Strekalova, Elena G.; Mazza, Marco G.; Stanley, H. Eugene y Franzese, Giancarlo. «Large Decrease of Fluctuations for Supercooled Water in Hydrophobic Nanoconfinement», Physical Review Letters, 106, 145701 (2011).