ciencia, física agua subenfriada, polimorfismo
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| You et al . estudiaron agua subenfriada en escalas de tiempo previas a la formación de hielo calentando hielos amorfos de alta y baja densidad con pulsos láser infrarrojos ultrarrápidos, seguidos de dispersión de rayos X. Observaron un rápido aumento de la capacidad calorífica, lo que indica una divergencia crítica a 210 K, coincidente con fluctuaciones de densidad intensificadas. Crédito de la imagen: Universidad POSTECH. |
La búsqueda del punto crítico líquido-líquido en agua subenfriada es un desafío debido a la rápida cristalización.
El polimorfismo y el punto crítico líquido-líquido (PCLL) resultante en agua subenfriada son fenómenos fascinantes en la física de la materia condensada.
01 abril 2026.- El agua es la sustancia más estudiada del planeta y, al mismo tiempo, una de las más incomprendidas. A diferencia de cualquier otro líquido conocido, su densidad, calor específico, viscosidad y compresibilidad responden a los cambios de temperatura y presión de forma completamente opuesta a lo que cabría esperar. El ejemplo más visible y cotidiano de esa rareza es que el hielo flota: la materia, al enfriarse, normalmente se contrae y se vuelve más densa; el agua hace exactamente lo contrario por debajo de los 4 °C. Durante más de un siglo, los físicos han buscado una explicación unificadora para ese comportamiento anómalo. Un nuevo estudio publicado el 26 de marzo de 2026 en la revista Science ofrece la respuesta experimental más convincente hasta la fecha.
La hipótesis del punto crítico líquido-líquido
La teoría más sólida que existe para explicar las anomalías del agua postulaba la existencia de un segundo punto crítico, distinto y mucho menos conocido que el punto crítico convencional del agua (374 °C y 218 atmósferas, donde el líquido y el vapor se vuelven indistinguibles). Los científicos habían predicho durante tiempo que ese segundo punto crítico se encontraría a bajas temperaturas, en agua superenfriada, es decir, agua que permanece en estado líquido por debajo de su punto de congelación normal. La idea era que, en esas condiciones extremas, el agua podría existir como dos fases líquidas distintas —una de alta densidad y otra de baja densidad— con estructuras moleculares diferentes, y que ambas confluirían en ese punto crítico hasta volverse indistinguibles. Serían precisamente las fluctuaciones que emanan de ese punto crítico las que explicarían el comportamiento anómalo del agua incluso a las temperaturas y presiones a las que estamos acostumbrados en la vida cotidiana.
La hipótesis era elegante y coherente con los datos disponibles, pero había un problema monumental para verificarla experimentalmente.
El problema de la «tierra de nadie»
La zona de temperaturas y presiones donde se predecía el punto crítico se conoce como «tierra de nadie» (no man's land), porque el agua superenfriada se congela allí casi instantáneamente. Cualquier intento de observar el agua en ese estado antes de que cristalice requiere actuar en escalas de tiempo de nanosegundos, lo que históricamente ha estado fuera del alcance de las técnicas experimentales disponibles. Por eso, durante décadas, las evidencias procedían de simulaciones por ordenador y de indicios indirectos, nunca de una observación directa.
El experimento: hielo amorfo, láser infrarrojo y rayos X ultrarrápidos
El equipo internacional liderado por el profesor Anders Nilsson, de la Universidad de Estocolmo, ideó una estrategia ingeniosa para sortear ese obstáculo. En lugar de intentar enfriar agua líquida hasta la zona problemática, partieron de dos tipos de hielo amorfo —uno de alta densidad y otro de baja densidad— que representaban los estados líquidos que querían estudiar, y los calentaron usando pulsos de láser infrarrojo ultrarrápido de nanosegundos. Cuando el hielo se fundía hasta quedar líquido durante apenas un nanosegundo, sondeaban su estructura con dispersión de rayos X.
Los experimentos se realizaron en el acelerador PAL-XFEL de la Universidad POSTECH, en Corea del Sur. El equipo repitió el proceso a temperaturas y presiones por debajo, cerca y por encima del punto crítico previsto, y en torno a los −63 °C y 1.000 atmósferas —mil veces la presión atmosférica al nivel del mar— encontró lo que buscaba: un cambio rápido en la densidad del agua que indicaba una transición entre los estados líquidos de alta y baja densidad.
El experimento reveló un cruce de un régimen de transición discontinua a uno continuo, con variaciones estructurales amplias y lentas consistentes con las fluctuaciones críticas y la ralentización dinámica característica de los puntos críticos. Además, se observó un aumento rápido de la capacidad calorífica indicativo de una divergencia crítica a 210 ± 8 K, coincidiendo con las fluctuaciones de densidad realzadas.
En palabras del propio Nilsson: «Lo especial fue que pudimos hacer rayos X de forma inimaginablemente rápida antes de que el hielo se congelara, y observar cómo la transición líquido-líquido desaparece y emerge un nuevo estado crítico. Durante décadas ha habido especulaciones y distintas teorías para explicar estas notables propiedades, y una de ellas era la existencia de un punto crítico. Ahora hemos comprobado que ese punto existe.»
Por qué el agua «no puede decidirse»
El agua es única porque puede existir en dos fases líquidas macroscópicas con formas diferentes de enlazar las moléculas a baja temperatura y alta presión. Cuando la temperatura aumenta y la presión disminuye, llega un estado en el que la distinción entre ambas fases desaparece y solo existe una. Es un punto de gran inestabilidad que provoca fluctuaciones en una amplia región de temperatura y presión, incluso hasta las condiciones ambientales normales. El agua fluctúa entre los dos estados líquidos y mezclas de ambos, como si no pudiera decidirse. Y son precisamente esas fluctuaciones las que confieren al agua sus propiedades insólitas.
El punto crítico también guarda cierta semejanza con un agujero negro: a medida que el agua se acerca a él, la dinámica del sistema se ralentiza y los cambios de estructura tardan mucho más en producirse, haciendo imposible que el líquido evite la transición.
La importancia del hallazgo
El estudio cierra un debate abierto desde hace más de treinta años en la física y la química del agua. Como señaló el físico Nicolas Giovambattista, del Brooklyn College de Nueva York, que no participó en la investigación: «Durante 20 años o más, muchas personas esperaban ver evidencias directas basadas en experimentos. Es increíble que finalmente haya llegado.»
Pero la relevancia del hallazgo va mucho más allá de resolver una disputa académica. El descubrimiento podría reformar nuestra comprensión del papel del agua en la naturaleza, y posiblemente incluso en la vida misma. El agua no es solo el disolvente universal de la bioquímica: sus anomalías físicas son condición necesaria para que existan los océanos tal como los conocemos, para que los organismos acuáticos sobrevivan bajo el hielo en invierno, para que las proteínas se plieguen correctamente y para que el ciclo del agua funcione con la eficiencia que hace posible el clima terrestre. Entender de dónde vienen esas anomalías es entender, en última instancia, por qué la vida en la Tierra es posible.
El siguiente paso, en palabras de Nilsson, es «encontrar las implicaciones de estos hallazgos en la importancia del agua en los procesos físicos, químicos, biológicos, geológicos y relacionados con el clima. Es un gran desafío para los próximos años.»
Referencia: Seonju You, Marjorie Ladd-Parada, Kyeongmin Nam et al., «Experimental evidence of a liquid-liquid critical point in supercooled water», Science, vol. 391, núm. 6792, págs. 1387-1391 (2026). DOI: 10.1126/science.aec0018.
