Científicos de la Universidad de Uppsala (Suecia) y del Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY) han logrado utilizar un potente láser de rayos X para calentar agua hasta los 100.000 grados centígrados en solo 75 femtosegundos, es decir, en 7,5x10^-14 o 0,000000000000075 segundos.
Los experimentos, publicados recientemente en «Proceedings of the national Academy of Siences» (PNAS) les han permitido producir el calentador de agua más rápido del planeta y, lo que es más importante, producir un estado exótico del líquido con el que esperan estudiar las interesantes propiedades del agua.
«No es la forma habitual de calentar el agua», ha dicho Carl Caleman, director de la investigación, en un comunicado. «Normalmente, cuando calientas agua, las moléculas comienzan a moverse más y mas rápidamente (...). Nuestro método es distinto. Los energéticos rayos X empujan a los electrones fuera de las moléculas de agua, rompiendo el balance de las cargas eléctricas. Así que, de repente, los átomos quedan libres de una potente fuerza repulsiva y comienzan a moverse violentamente».
Hay que tener en cuenta que, al nivel molecular, el calor es movimiento: cuanto más caliente está algo, más veloz es el movimiento de sus moléculas. Esto se puede inducir por transferencia de calor, como hace una estufa, o más directamente, por medio de microondas. Esta radiación crea un campo electromagnético que mueve el agua cada vez más rápido, aumentando por tanto su temperatura.
Romper el agua y crear plasma
En este caso, los científicos han empleado un método más directo. Han usado rayos X para «romper» el agua. En menos de 75 femtosegundos, han logrado que el agua pase de estar en estado líquido a plasma. Este es un estado de la materia en el que los electrones han sido expulsados de los átomos y que se comporta como un gas cargado eléctricamente.
En ese instante, tras el impacto de los rayos X, «el agua se transforma en un plasma, pero conserva la densidad de agua, porque los átomos no han tenido tiempo para moverse de forma significativa», ha explicado Olof Jönsson, coautor del estudio e investigador en Uppsala. Esto crea un estado del agua que no existe en la naturaleza. «Tiene las mismas características que algunos plasmas en el Sol y en Júpiter, pero con menor densidad. Además, es más caliente que el núcleo de la Tierra».
Para crear este peculiar estado, los investigadores han usado uno de los láser de rayos X más potentes, el LCLS («Fuente de Luz Coherente Linac»), en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC (EE.UU.). Estas instalaciones son capaces de disparar pulsos de rayos X ultra-cortos sobre un chorro de agua.
¿Para qué crear este exótico estado del agua? Básicamente, los científicos han hecho dos cosas: por una parte han sacado importantes conclusiones en relación con la tecnología de observación de moléculas individuales con láser de rayos X, y por otra, han combinado observaciones con simulaciones con el fin de comprender mejor las propiedades del agua. En concreto, pretenden estudiar su densidad, capacidad calorífica y conductividad térmica.
«El agua es realmente un líquido muy extraño, y si no fuera por muchas de sus peculiares características, muchas cosas de la Tierra, en especial, la vida, no serían como son», ha recordado Jönsson.
Las extrañas e importantes propiedades del agua
¿Cuáles son estas propiedades? Como el agua está compuesta por moléculas de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, tiene la capacidad de formar puentes de hidrógeno con otras moléculas. Esto la convierte en un disolvente universal, le da una elevada tensión superficial y una propiedad conocida como capilaridad, lo que permite a algunos animales caminar sobre el agua y a las plantas extraer agua del suelo, entre otras muchas cosas.
Además, el agua es una molécula con elevados puntos de fusión y ebullición, lo que quiere decir que hace falta mucha energía para pasarla de sólido a líquido y de líquido a gas. Esto regula y amortigua el clima de la Tierra y es crucial en la fisiología de los seres vivos: por ejemplo, es el motivo por el que la transpiración de animales y plantas permita disipar calor. Además, la densidad máxima del agua se alcanza cuando está a cuatro grados centígrados y no congelada, lo que lleva a que normalmente solo se hiele la superficie de lagos y océanos, y los seres vivos que viven en el fondo puedan sobrevivir en las épocas más frías.
