El agua es extraña en muchos sentidos. Algunas de sus peculiaridades químicas son familiares, como expandirse cuando se congela en hielo. Una curiosidad menos conocida, que comparte con solo unos pocos líquidos, es la de "frágil a fuerte""transición. Explicar este comportamiento, que se relaciona con la forma en que fluye el agua fría, ha sido durante mucho tiempo una fuente de debate. Ahora, los investigadores de Tokio han presentado una explicación convincente.
Cuando los líquidos se enfrían, su dinámica se ralentiza y se vuelve viscosa. Para la mayoría de los líquidos, la velocidad de desaceleración es constante en función de la temperatura y estos se conocen como líquidos fuertes. Sin embargo, para líquidos "frágiles", la velocidad aumenta continuamente a medida quela temperatura baja. El agua es inusual en este sentido: es frágil a temperatura ambiente, pero fuerte a bajas temperaturas, donde su tasa de viscosidad creciente alcanza un pico.
Esta transición de frágil a fuerte es bastante difícil de alcanzar, solo ocurre en el régimen sobreenfriado, por debajo del punto de congelación habitual del agua. Los primeros modelos intentaron vincularlo con la dinámica vítrea, ya que se sabe que el agua sobreenfriada es un formador de vidrio. Sin embargo,un equipo dirigido por el Instituto de Ciencia Industrial IIS de la Universidad de Tokio propone una teoría de dos estados, en efecto modelando el agua como una mezcla de dos líquidos coexistentes.
Matemáticamente, la distinción fuerte / frágil se basa en la ley de Arrhenius para los procesos dinámicos: los líquidos fuertes obedecen a esta ley, pero para los frágiles, el rápido aumento de la viscosidad es "super-Arrhenius". Como se informó en la revista PNAS, elEl equipo de IIS modificó esta opinión al considerar que el agua consta de dos estados, denominados "rápido" y "lento", que son estructuralmente diferentes, pero ambos obedecen a la dinámica de Arrhenius.
"Simulamos el agua por dinámica molecular y buscamos patrones estructurales", explica el coautor del estudio Rui Shi. "H 2 Las moléculas O siempre se ensamblan en tetraedros, pero vimos que algunas de estas estructuras locales estaban altamente ordenadas, otras no tanto ". Los estados desordenados corresponden al agua rápida y dominan a altas temperaturas, mientras que el estado lento bien ordenado toma el controla medida que la muestra se enfría
Crucialmente, las ecuaciones derivadas del modelo de dos estados predicen con éxito el cruce frágil a fuerte. Esto sucede muy por encima del punto de transición vítrea: el comportamiento vítreo parece ser una pista falsa en lo que respecta a este tema.hecho de que el agua rápida tiene Arrhenius, en lugar de la ley de poder, la dinámica también resuelve predicciones erróneas basadas en intentos anteriores de vincular la fragilidad del agua con ciertos aspectos de su diagrama de fase.
"El agua frágil puede ser una ilusión. La transición aparente es un artefacto del equilibrio dependiente de la temperatura de dos estados líquidos fuertes", dice el autor principal Hajime Tanaka. "La presencia de dos estados refleja la tendencia del agua a formar estructuras locales, quees más fácil a baja temperatura. De hecho, otros líquidos con una transición frágil a fuerte, como la sílice, también muestran un orden local. Proponemos que esto, más que cualquier comportamiento vítreo, es lo que los distingue de los verdaderos líquidos frágiles ".
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Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Industriales, Universidad de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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