La mecánica cuántica desentraña misterios del agua

Un modelo informático basado en la ecuación de Schrödinger
descubre la interacción de sus moléculas

La ecuación de Schrödinger, uno de los fundamentos de la teoría de la
mecánica cuántica, ha desvelado el funcionamiento de las moléculas del agua gracias al uso de un conjunto de computadoras
superpotentes. Formada por dos átomos de hidrógeno y por uno de oxígeno, se cree que el secreto de las propiedades de este líquido tan
común como misterioso radica en la capacidad de sus moléculas para formar determinados enlaces entre los átomos de hidrógeno. El
desarrollo de este nuevo modelo informático podría tener múltiples aplicaciones, y quizá resuelva determinadas cuestiones como la
razón por la que el agua, en estado sólido (hielo), no se hunde dentro de sí misma.

Artículo de Yaiza Martínez, reproducido de Tendencias Científicas.

Esencial para todas las formas de vida, y objetivo eterno de estudio, el agua es una sustancia con algunos misterios que aún no han podido ser revelados, al menos desde la física clásica.

El acercamiento a este extraño elemento constitutivo, sin embargo, desde la perspectiva de la física cuántica (desde la ecuación de
Schrödinger para ser más exactos), y gracias al uso de un conjunto de ordenadores superpotentes, ha revelado la estructura subyacente
del conjunto de moléculas aparentemente sencillas del agua, que están formadas ?tan sólo? por dos átomos de oxígeno y uno de
hidrógeno.

El logro lo ha alcanzado un equipo de científicos de la universidad norteamericana de Delaware y de la Radboud University de
Holanda, que han desarrollado un nuevo método para desvelar las propiedades ocultas del agua, y sin necesidad de concienzudos
experimentos de laboratorio: simplemente, informática.

Principios fundamentales

Y es que, en teoría, toda la química y la física de la materia a escala macroscópica podría ser descrita íntegramente por una enorme
Ecuación de Schrödinger aplicable a
más de 10 elevado a 23 átomos de una unidad de materia.

Utilizar esta ecuación y aplicarla de manera eficaz es actualmente posible gracias al uso de ordenadores con una capacidad de cálculo
superpotente, que permitirían comprender algunas de las enigmáticas propiedades del agua. Este tipo de herramienta informática de
análisis ya se ha aplicado en otros campos, como la meteorología y la mecánica celeste.

Los resultados de la investigación han sido publicados por la revista Science y han sido explicados en un comunicado de la universidad de
Delaware. La investigación ha estado liderada por el profesor de física y astronomía de dicha universidad, Krzysztof Szalewicz (foto), que ha colaborado con Robert Bukowski, de la Cornell University, y Gerrit Groenenboomy Ad van der Avoird, del Institute for Molecules and Materials de la Radbound University.

Propiedades extrañas

Todo el mundo sabe que una molécula de agua es H2O, pero, aunque su composición parezca simple, el agua líquida en realidad es mucho
más compleja que eso. Por ejemplo, señala Szalewicz, contrariamente a otros líquidos, el agua aumenta de volumen cuando se congela, lo
que explica que el hielo flote en el agua. Por otro lado, el agua puede absorber grandes cantidades de calor antes de empezar a
calentarse y lo libera lentamente mientras se enfría.

Las características únicas del agua parecen relacionarse con su estructura molecular y con la capacidad de sus moléculas para formar
enlaces de hidrógeno con otras moléculas de agua. El hidrógeno de la molécula del agua tiene una carga ligeramente positiva, mientras
que la carga del otro extremo de la molécula es ligeramente negativa.

Tradicionalmente se pensó que en el agua en estado líquido cada molécula se coordinaba con una media de otras cuatro moléculas gracias
a estos enlaces de hidrógeno. Sin embargo, posteriormente se descubrió que esta coordinación tiene lugar sólo con dos moléculas.

Ambigüedades

Todas estas ambigüedades del agua han sido estudiadas desde la mecánica cuántica por Szalewicz y sus colegas, aplicando leyes de la
física a un nivel microscópico.

El resultado: los investigadores han conseguido generar un nuevo marco teórico para describir la estructura y el comportamiento de la
molécula del agua átomo a átomo, gracias a los ordenadores de última generación, multiprocesadores, capaces de aportar soluciones
bastante ajustadas de las ecuaciones de la mecánica cuántica para la descripción de las fuerzas que ejercen unas moléculas del agua
sobre otras. Esto debería permitir desvelar el porqué de las extrañas propiedades de este líquido.

Con un conjunto de computadores Linux funcionando en paralelo, y que realizaron cálculos a gran escala, el estudio tardó varios meses
en completarse. El nuevo modelo puede predecir con bastante exactitud, tanto las propiedades de un par de moléculas de agua, como las
del agua en estado líquido.

Las aplicaciones de este novedoso modelo, señalan los investigadores, van desde la posibilidad de comprender mejor el agua en diversos
estados y en condiciones extremas, hasta el estudio de otros líquidos y sistemas moleculares, el ADN en biología o el llamado
plegamiento de proteínas (proceso por el que una proteína alcanza su estructura tridimensional), entre otras.

Fuente: Tendencias Científicas.