No toda el agua helada es igual. Encerrado en el interior, la disposición de las moléculas varía significativamente, según las condiciones de presión y temperatura en las que se forma.
Sabíamos de 18 de estas distintas fases del hielo, algunas de las cuales ocurren naturalmente, otras solo se ven en condiciones de laboratorio.
Hace tres años, un equipo de investigadores modificó una de las estructuras de hielo existentes, transformándola en una forma que llamaron hielo β-XV. Ahora los miembros de ese equipo han determinado su estructura cristalina exacta, respondiendo preguntas sobre cómo se forma y dándole la designación de hielo XIX.
Este descubrimiento podría ayudarnos a comprender mejor cómo se forma y se comporta el hielo en condiciones extraterrestres muy diferentes a las que se encuentran en la Tierra.
El hielo que ves en el congelador, o que cae del cielo en forma de copos de nieve o granizo, es el hielo natural más común en la Tierra. Esto se llama hielo I y sus átomos de oxígeno están dispuestos en una cuadrícula hexagonal. Sin embargo, la estructura está geométricamente frustrada, con los átomos de hidrógeno mucho más desordenados.
Cuando el hielo I se enfría de cierta manera, los átomos de hidrógeno pueden ordenarse periódicamente, además de los átomos de oxígeno. Así es como los científicos en un laboratorio pueden crear diferentes fases de hielo que tienen redes de moléculas cristalinas mucho más ordenadas que sus formas originales desordenadas.
Un equipo de físicos químicos de la Universidad de Innsbruck en Austria ha estado trabajando durante algún tiempo con la fase VI. Esta es una de las formas de hielo que se pueden encontrar en la naturaleza, pero solo bajo presiones muy altas 10,000 veces superiores a la presión atmosférica al nivel del mar (alrededor de 1 gigapascal), como las que se encuentran en el manto de la Tierra, o envueltas alrededor del núcleo de Titán, la luna de Saturno.
Como el hielo I, el hielo VI está relativamente desordenado. Su forma ordenada por hidrógeno, el hielo XV, se descubrió hace solo una década. Se crea enfriando el hielo por debajo de 130 Kelvin (-143 grados Celsius, -226 grados Fahrenheit) a presiones de alrededor de 1 gigapascal.
Hace unos años, al cambiar este proceso, los investigadores crearon otra fase del hielo. Redujeron la velocidad del enfriamiento, lo llevaron por debajo de 103 Kelvin y aumentaron la presión a 2 gigapascales. Esto produjo una segunda disposición de moléculas de hidrógeno que era distinta del hielo XV, que era lo que llamaron hielo β-XV.
Validar que el hielo era una fase separada era un obstáculo separado, que requería que el agua normal fuera reemplazada por agua ‘pesada’. El hidrógeno normal no tiene neutrones en el núcleo. El agua pesada, por otro lado, se basa en deuterio, una forma de hidrógeno que tiene un neutrón en el núcleo.
Para calcular el orden de los átomos en una red cristalina, los científicos necesitan dispersar los neutrones de los núcleos para que los átomos de hidrógeno normales no lo corten.
“Desafortunadamente, esto también cambia las escalas de tiempo para realizar pedidos en el proceso de fabricación de hielo”, dijo el químico físico Thomas Loerting de la Universidad de Innsbruck.
“Pero el estudiante de doctorado Tobias Gasser tuvo entonces la idea crucial de agregar un pequeño porcentaje de agua normal al agua pesada, lo que aceleró enormemente el pedido”.
Esto permitió al equipo obtener los datos de neutrones que necesitaban para reconstruir la estructura cristalina. Como pensaban, era distinto del hielo XV, lo que le valió un lugar oficial como la decimonovena fase conocida, hielo XIX.
Esto hace que el par de fases hermanas, la primera conocida que tiene la misma estructura de red de oxígeno, pero con diferentes disposiciones de átomos de hidrógeno.
“Esto también significa que, por primera vez, ahora será posible realizar la transición entre dos formas de hielo ordenadas en experimentos”, dijo Loerting.
Fuente: Science Alert.
