Aigua: aquesta estranya substància

L’aigua, a més de ser un component intrínsec dels organismes vius coneguts, és una substància amb un comportament fisicoquímic, en molts d’aspectes, únic. Potser per això, precisament, ha pogut ser la matriu base sobre la qual, i amb la qual, s’ha desenvolupat aquest altre fenomen estranyíssim que és la vida. 

L’aigua està present, però, fins als confins de l’univers observable i és probable, tal com es pot llegir al web de la NASA (https://science.nasa.gov/solar-system/ocean-worlds/) que l’aigua del planeta Terra tengui el seu origen a les estrelles que es començaren a formar un quants milions d’anys després del Big Bang. 

Què és l’aigua 

La ment humana, des que va ser capaç d’elaborar un relat explicatiu, equivocat o no, sobre el món i els seus mecanismes de funcionament, va captar la identitat i la importància d’aquesta substància omnipresent i imprescindible per a viure. Tales de Milet (625 aC -548 aC) considerà que en realitat l’aigua és la substància que ho forma tot. Posteriorment es consolidà a la Grècia antiga la idea dels quatre elements constitutius del ser humà i de tot l’univers: aigua, terra, foc i aire. Sigui quina sigui la cultura, l’aigua ha ocupat, per raons ben òbvies, un lloc destacat i singular en l’esquema teòric d’interpretació de la naturalesa material del món.

L’any 1781 Henry Cavendish va determinar que l’aigua estava formada per dues parts d’hidrogen i una d’oxigen, proporció que pocs anys després es va confirmar amb la descomposició electrolítica de l’aigua. Passà gairebé tot el segle XIX sense canvis substancials en el coneixement de l’aigua fins que, l’any 1887, Svante Arrhenius va fer públics els seus estudis sobre la ionització de l’aigua amb la formació de protons i hidroxils. Per aquells temps ja eren prou notòries les anomalies del comportament de l’aigua respecte de la resta de líquids. S’havia estudiat, per exemple, la variació en funció de la temperatura de certes propietats físiques com la densitat, la capacitat calorífica o la compressibilitat i eren evidents les singularitats mostrades, tal com es representa gràficament a la imatge adjunta: 

ρ: densitat; K_T: compressibilitat; Cp: capacitat calorífica (Anders Nilsson & Lars G.M. Pettersson.The structural origin of anomalous properties of liquid water. Nilsson Anders & Lars G.M. Pettersson. NATURE COMMUNICATIONS | 6:8998 | DOI: 10.1038/ncomms9998)

«Els lligams per ponts d’hidrogen entre molècules d’aigua havien de condicionar, necessàriament, el comportament peculiar de l’aigua»

Per què és com és

De la mà de la teoria àcid-base de G. N. Lewis, enunciada a principis dels anys vint, aparegué el concepte de l’enllaç per pont d’hidrogen. Alfred Werner ja havia postulat una interacció similar per al clorur amònic l’any 1902 però foren W. Latimer i  W. Rodebush els qui proposaren, l’any 1920, l’enllaç dèbil entre un hidrogen unit de forma covalent a un àtom d’oxigen d’una molècula d’aigua i un altre àtom d’oxigen d’una altra molècula d’aigua. Els lligams per ponts d’hidrogen entre molècules d’aigua havien de condicionar, necessàriament, el comportament peculiar de l’aigua i s’obria la porta a considerar la presència d’estructures supramoleculars (clústers) formades per grups ordenats de molècules d’aigua unides per ponts d’hidrogen. La naturalesa dinàmica d’aquests clústers fou remarcada per H. S. Frank i W.-Y. Wen en una publicació de l’any 1957 en què encunyaren el terme “flickering clusters” que equival al concepte de clústers ràpidament canviants. L’entusiasme per aquesta nova concepció de l’estructura de l’aigua va dur a alguns passos en fals com el suposat descobriment de la denominada aigua polimèrica o poliaigua: va ser l’any 1962 que el científic rus Nikolai Fedyakin va donar a conèixer l’experiment amb el qual havia obtingut, per condensació dins uns capil·lars de quars, una aigua amb propietats tan extraordinàries com una densitat d’1,3 g/cm3, un punt d’ebullició de 200 ºC i una viscositat anormalment alta. La formació de polímers hexagonals de molècules d’aigua va ser l’explicació teòrica per a aquell descobriment que va atreure l’interès científic i polític (eren els temps de la guerra frega entre els EUA i l’URSS i els primers temien que qualsevol descobriment dels rivals soviètics pogués situar el bloc comunista en posició d’avantatge tecnològica i militar). Després d’anys de controvèrsia i, sobretot, quan es va poder analitzar la composició de l’aigua que condensava en els capil·lars, es va veure que totes les anomalies eren degudes a la presència d’elevades quantitats de sílice dissolta.

«Actualment sembla acceptat que existeix un equilibri dinàmic entre una superestructura formada per tetraedres on una molècula d’aigua central està lligada per ponts d’hidrogen a quatre molècules d’aigua, i altres formes d’ordenament menys denses que predominarien a mesura que baixa la temperatura»

Després de la relliscada de la falsa aigua polimèrica va disminuir el nombre de treballs publicats sobre l’estructura de l’aigua i els que s’han anat fent els darrers decennis no arrisquen tant amb les conclusions. Curiosos fenòmens com el denominat efecte Mpemba (l’aigua es congela més ràpidament com més elevada és la temperatura inicial), afegit a les anomalies ja conegudes, continuen esperant el model teòric que definitivament permeti una explicació general i coherent del comportament de l’aigua. Actualment sembla acceptat que existeix un equilibri dinàmic entre una superestructura formada per tetraedres on una molècula d’aigua central està lligada per ponts d’hidrogen a quatre molècules d’aigua, i altres formes d’ordenament menys denses que predominarien a mesura que baixa la temperatura. Les condicions ambientals (pressió i temperatura) i les interfases amb soluts o substàncies hidròfugues introdueixen tots els factors de variabilitat que fan tan difícil arribar a una comprensió teòrica sense fissures. 

Estructura tetraèdrica de l’aigua líquida (esferes vermelles: oxigen; esferes blanques: hidrogen)

Temperatura, aigua i vida

Un curiós article publicat a la revista Tecnoaqua (núm. 72 març-abril 2025) signat per Antoni Peirotón Hernández i Ramon Queralt Torrell, ambdós enginyers tècnics industrials, analitza la corba que relaciona l’evolució de la densitat de l’aigua amb la temperatura entre -30 ºC i 60 ºC:

Corba densitat/temperatura de l’aigua (A. Peirotón Hernández i R. Queralt Torrell)

De la gràfica que en resulta, els autors calculen els punts (C i C´) on la corba de cada branca de la paràbola asimètrica (amb el conegut màxim a la temperatura de 4ºC) comença a ser equiparable a una recta. C resulta ser, precisament, el valor de densitat de l’aigua que es correspon a la temperatura corporal mitjana dels animals homeoterms: 36,5 ºC. Sense cap argument que ho justifiqui atribueixen el tram G-C a la presència exclusiva a l’aigua d’estructures tetraèdriques i la formació gradual de formes hexaèdriques a partir del punt C fins arribar al punt C’ a partir del qual (cap a temperatures menors) ja només existirien estructures hexaèdriques. 

Altres estudis, com el de Gerhard M. Artmann et al. (2024) relacionen certs canvis de configuració de proteïnes com l’hemoglobina o de receptors sensibles a la temperatura com els canals TRP, amb transicions quàntiques a la molècula d’aigua viables només, precisament, a temperatures pròximes a 36 ºC. 

Amb tot, qualsevol enfocament rigorós sobre la naturalesa i les propietats de l’aigua conclou que falten encara evidències contrastades que permetin entendre com l’aigua ha convertit l’excepcionalitat de les seves propietats en la norma que permet la vida i el pensament que intenta explicar-la.