El estudio de la estructura y dinámica del agua es de particular interés debido a su importancia para facilitar los procesos químicos y bioquímicos que forman la base de la vida. Resulta sorprendente que el agua tenga tantas propiedades anómalas e inusuales.

El agua se destaca como uno de los sistemas más estudiados, y su comportamiento aún está sujeto a mucho debate. Una de las propiedades anómalas más conocidas del agua es el hecho de que muestra un máximo de densidad a 4 ° C, la llamada temperatura de densidad máxima.

Es sabido que el agua líquida es un excelente transportador de sus propios productos de autoionización; es decir, la especie cargada que se obtiene cuando una molécula de agua (H2O) se divide en protones  e iones de hidróxido. También se sabe que el agua consiste en una intrincada red de interacciones débiles y direccionales conocidas como enlaces de hidrógeno.

Durante casi un siglo, se pensó que los mecanismos por los cuales el agua transporta los protones e iones de hidróxido eran imágenes especulares entre sí, análogas en todos los sentidos, exceptuando las direcciones de los enlaces de hidrógeno involucrados en el proceso.

Sin embargo, los modelos teóricos y las actuales simulaciones computacionales de vanguardia, predijeron una asimetría fundamental en estos mecanismos. De ser correcta esa presunción, esta asimetría es algo que podría explotarse en diferentes aplicaciones al adaptar un sistema para favorecer a un ion sobre el otro.

La prueba experimental de la predicción teórica ha permanecido esquiva debido a la dificultad de observar directamente las dos especies iónicas. Pero un equipo de científicos de la Universidad de Nueva York ideó un nuevo experimento para confirmar esta asimetría.

El enfoque experimental involucró el enfriamiento del agua hasta su llamada temperatura de máxima densidad, donde se espera que la asimetría se manifieste más fuertemente, lo que permite que sea cuidadosamente detectada.

Es de conocimiento común que el hielo flota sobre el agua y que los lagos se congelan desde la parte superior. Esto se debe a que las moléculas de agua se acumulan en una estructura con menor densidad que el agua líquida, lo que constituye una manifestación de las propiedades inusuales del agua.

La densidad del agua líquida aumenta justo por encima del punto de congelación y alcanza un máximo de cuatro grados Celsius; esta diferencia de densidad dicta que el agua líquida siempre estará situada debajo del hielo.

En agua llevada a esta temperatura, el equipo empleó métodos de resonancia magnética nuclear para mostrar que la diferencia en la vida útil de los dos iones alcanza un valor máximo. Al acentuar la diferencia en la vida útil de los iones, la asimetría se hizo evidente.

Los autores señalan que el estudio de las propiedades moleculares del agua es de gran interés debido a su papel central en la habilitación de los procesos fisiológicos. Asimismo, indican que el hallazgo proporciona una evidencia experimental que confirma las predicciones anteriores, lo que ofrece a una comprensión más profunda de las propiedades del vital líquido.

Referencia: Unusual Proton Transfer Kinetics in Water at the Temperature of Maximum Density. Physical Review Letters, 2018. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.076001