Nuevo Estado Del Agua: Extraña Molécula De 6 Lados Encontrada

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Se ha observado un extraño comportamiento nuevo de las moléculas de agua dentro de los cristales de berilo, un tipo de esmeralda, causado por extraños efectos mecánicos cuánticos que permiten que las moléculas de agua se enfrenten a seis direcciones diferentes al mismo tiempo.

Se ha observado un extraño comportamiento nuevo de las moléculas de agua dentro de los cristales de berilo, un tipo de esmeralda, causado por extraños efectos mecánicos cuánticos que permiten que las moléculas de agua se enfrenten a seis direcciones diferentes al mismo tiempo.

En condiciones normales, los dos átomos de hidrógeno en cada molécula de agua están dispuestos alrededor del átomo de oxígeno en forma de "V" abierta, a veces en comparación con las orejas de un boomerang o Mickey Mouse.

Pero en un nuevo experimento, los científicos descubrieron que los átomos de hidrógeno de algunas moléculas de agua atrapadas en la estructura cristalina del mineral berilo se "manchan" en un anillo de seis lados. [La Física Sorprendentemente Extraña Del Agua]

La forma del anillo es causada por la "tunelización cuántica" de las moléculas, un fenómeno que permite que las partículas subatómicas pasen o "túnel" a través de barreras físicas que parecen imposibles.

En este escenario, los átomos de la molécula de agua están "deslocalizados" entre seis direcciones posibles dentro de poros o canales hexagonales naturales que se ejecutan a través de la estructura cristalina del berilo, por lo que existen parcialmente en las seis posiciones al mismo tiempo, dijeron los investigadores.

Dentro de los cristales

Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) en Tennessee y el Laboratorio Rutherford Appleton en el Reino Unido observaron el efecto recién descubierto en los cristales de color azul aguamarina comprados en un espectáculo de gemas. Aguamarina azul; esmeralda verde y roja; morganita rosa; heliodor de oro; y las gemas de goshenita transparentes son todas las variedades del mineral berilo (ciclosilicato de berilio y aluminio) con rastros de otros químicos que dan a los cristales sus colores característicos.

"Elegimos el berilo porque tiene una estructura cristalina con canales, aproximadamente 5 angstroms [5 diez millonésimas de milímetro], un poco más grande que una molécula de agua, y se sabe a partir de datos espectroscópicos que los berilos naturales tienen agua. en ellos ", dijo Larry Anovitz, un geoquímico de ORNL y uno de los autores de un artículo sobre la nueva investigación. "Ya sabemos por muchos otros estudios que a medida que se pone agua en poros cada vez más pequeños, comienza a afectar las propiedades del agua: el punto de congelación disminuye, los cambios de densidad, todo tipo de cosas. Así que, queríamos saber, si hicieras ese poro tan pequeño que solo pudieras obtener una sola molécula de agua, ¿qué haría eso con las propiedades del agua?

Lo que sucedió después fue inesperado, dijo Anovitz a WordsSideKick.com.

"Sabíamos que el berilo natural tendría agua en estos canales en la estructura, por lo que podríamos ir a mirar eso y ver cuáles eran las propiedades", dijo. "Pero no sabíamos que las propiedades serían tan extrañas cuando miráramos". [Sinister Sparkle Gallery: 13 gemas misteriosas y malditas]

Viendo un nuevo estado

En la instalación de la Fuente de Neutrones de Espalación de ORNL, después de enfriar los cristales de berilo a temperaturas muy bajas, los científicos midieron los estados de menor energía de los átomos en las moléculas de agua atrapadas con experimentos de dispersión de neutrones, que utilizan un haz de partículas de neutrones subatómicos para trazar el mapa. Movimiento de átomos y moléculas.

"Cuando comenzamos a observar los picos en el espectro inelástico de neutrones para esta muestra, vimos una cantidad de picos en el espectro que, en lugar de aumentar de tamaño con la temperatura, que es lo que se espera que ocurra, se hicieron más pequeños con la temperatura", dijo Anovitz. dijo.

"Hay dos formas en que esto podría suceder, ya sea mediante tunelización cuántica o transiciones magnéticas, y pudimos probar que esto es en realidad la tunelización cuántica de las moléculas de agua", dijo.

Las interacciones entre las moléculas de agua y las paredes de los canales hexagonales generalmente fuerzan el agua hacia el centro del canal, con ambas "orejas de ratón" de hidrógeno frente a la misma de los seis lados.

En sus estados de energía más baja, las moléculas de agua no tienen suficiente energía para rotar a una de las posiciones adyacentes.

Pero en las áreas donde los canales se estrechan para que solo pueda caber una sola molécula de agua, los átomos en la molécula de agua pueden "hacer un túnel" a través de la barrera de energía que impide la rotación. Y los nuevos experimentos revelan que las moléculas estaban formando una forma "doble superior", con el núcleo de protones de cada átomo de hidrógeno deslocalizando en un anillo de seis lados alrededor del átomo de oxígeno central, dijeron los investigadores.

Medición de las moléculas.

Alexander Kolesnikov, físico en ORNL y autor principal del nuevo artículo, dijo que estudios adicionales en el Laboratorio Rutherford Appleton habían determinado que la energía cinética de los protones de hidrógeno en las moléculas de agua de seis lados era aproximadamente un 30 por ciento más baja que en las moléculas de El agua en su estado normal, o "agua a granel".

"Esa es una indicación directa de que esta es una propiedad cuántica debido a los túneles de agua en este canal de berilo", dijo Kolesnikov a WordsSideKick.com. "En términos clásicos, se esperaría que la energía cinética fuera algo comparable con el resto del agua a granel.

"Esta no es una nueva fase de agua [como hielo o vapor], no está completamente en la fase gaseosa, pero está cerca de una fase gaseosa", agregó. "Pero a bajas temperaturas, debido a la deslocalización cuántica, la energía cinética de los protones disminuye significativamente y se propagan bajo esta barrera [energética].Por lo tanto, diría que este es un nuevo estado de la molécula de agua ".

Anovitz dijo que se sabía que se producían túneles cuánticos en otras sustancias, pero que el efecto generalmente se limitaba a partículas subatómicas en lugar de partículas más grandes como las moléculas de agua.

También se sabe que la tunelización cuántica tiene lugar entre los átomos de hidrógeno en las moléculas del grupo metilo, que están dispuestas en forma de pirámide triangular alrededor de un átomo de carbono, pero las moléculas parecían tener la misma forma después de la transición del túnel, dijo.

"Con el agua, cuando se mueve alrededor de este eje de seis veces en el canal de berilo, ya no se ve igual, y eso es algo que nunca se ha visto antes", dijo Anovitz.

Los hallazgos fueron publicados el 22 de abril en la revista Physical Review Letters.

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