Descifrando las propiedades anómalas del agua

El agua, una molécula esencial para la vida, presenta unas propiedades inusuales —conocidas como anomalías— que definen su comportamiento. Sin embargo, todavía hay muchas incógnitas sobre los mecanismos moleculares que explicarían las anomalías que hacen única a la molécula de agua. Descifrar y reproducir este comportamiento particular del agua en diferentes rangos de temperaturas es todavía un gran desafío para la comunidad científica.

Ahora, un estudio presenta un nuevo modelo teórico capaz de superar las limitaciones de metodologías anteriores para entender cómo es el comportamiento del agua en condiciones extremas.  El trabajo, destacado en la portada de la revista The Journal of Chemical Physics, lo lideran Giancarlo Franzese y Luis Enrique Coronas, de la Facultad de Física y el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad de Barcelona (IN2UB).

La investigación no solo amplía nuestra comprensión de la física del agua, sino que tiene implicaciones en el ámbito de la tecnología, la biología y la biomedicina, en especial para abordar el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas y el desarrollo de biotecnologías avanzadas.

El modelo CVF: comprender mejor la física del agua

La investigación, que deriva de la tesis doctoral que Luis E. Coronas presentó en 2023 en la Facultad de Física de la UB, muestra un nuevo modelo teórico que responde a las siglas CVF (las iniciales de los apellidos de los investigadores Luis E. Coronas, Oriol Vilanova y Giancarlo Franzese). El nuevo modelo CVF se caracteriza por ser fiable, eficiente, escalable y transferible, e incorpora cálculos cuánticos ab initio que reproducen con precisión las propiedades termodinámicas del agua bajo diferentes condiciones.

Mediante la aplicación del nuevo marco teórico, el estudio revela que «existe un punto crítico entre dos formas líquidas de agua, y este punto crítico es el origen de las anomalías que hacen que el agua sea única y esencial para la vida, así como para muchas aplicaciones tecnológicas», detalla el profesor Giancarlo Franzese, de la Sección de Física Estadística del Departamento de Física de la Materia Condensada.

«Aunque esta conclusión ya se había alcanzado en otros modelos de agua, ninguno de ellos tiene las características específicas del modelo que hemos desarrollado en este estudio», detalla Franzese.

Algunos de los modelos actuales para explicar las anomalías del agua no son capaces de reproducir adecuadamente las propiedades termodinámicas del agua, como, por ejemplo, su compresibilidad y capacidad calorífica.

«Sin embargo, el modelo CVF lo consigue porque incorpora resultados de cálculos cuánticos ab initio sobre interacciones entre moléculas. Estas interacciones, conocidas como interacciones de muchos cuerpos, van más allá de la física clásica y se deben a que las moléculas de agua comparten electrones de una manera difícil de medir experimentalmente», detalla Franzese.

Según el estudio, «las fluctuaciones de densidad, energía y entropía del agua están reguladas por estas interacciones cuánticas, con efectos que van desde la escala nanométrica hasta la macroscópica», detalla el investigador Luis E. Coronas.

«Por ejemplo —continúa Coronas— el agua regula el intercambio de energía y moléculas, así como el estado de agregación de proteínas y ácidos nucleicos en las células. Se sospecha que defectos en estos procesos pueden causar enfermedades graves como el alzhéimer, el párkinson y la esclerosis lateral amiotrófica. Por lo tanto, entender cómo las fluctuaciones del agua contribuyen a estos procesos podría ser clave para encontrar tratamientos contra estas patologías».

Impulsar el desarrollo de nuevas biotecnologías  

El modelo CVF también ofrece nuevas ventajas que permiten realizar cálculos donde otros modelos fallan, debido a que son computacionalmente muy pesados o bien porque se desvían significativamente de los resultados experimentales.

En el ámbito del desarrollo tecnológico, algunos laboratorios están desarrollando biotecnologías para reemplazar músculos (actuadores mecánicos) que aprovechan las interacciones cuánticas del agua; memorias a base de agua (water-based memristors) para crear dispositivos de memoria (con una capacidad millones de veces mayor que las actuales), o bien la aplicación de esponjas de grafeno que separan el agua de impurezas gracias a las fluctuaciones de densidad del agua en nanoporos.

También existen implicaciones en la comprensión de la física del agua. «Este modelo puede reproducir las propiedades del agua líquida en prácticamente todas las temperaturas y presiones que se encuentran en nuestro planeta, aunque se desvía en condiciones extremas alcanzadas en laboratorios», detallan los expertos. «Esto demuestra que los efectos no incluidos en el modelo —los efectos cuánticos nucleares— también son importantes a estas presiones y temperaturas extremas. Así, las limitaciones del modelo nos guían hacia dónde mejorar para llegar a una formulación definitiva del mismo», concluyen.
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