Los científicos han identificado la decimonovena forma de hielo de agua. Los exóticos cristales de cuatro lados de esta rara variedad de hielo, ahora denominada hielo XIX, se forman a temperaturas ultrabajas y presiones ultraaltas.
Solo existe en experimentos de laboratorio, pero los investigadores dicen que revela más sobre otras formas de hielo, que se pueden encontrar en las profundidades del manto de la Tierra y en planetas y lunas muy fríos.
“Para nombrar una nueva forma de hielo, es necesario dilucidar exactamente cuál es la estructura cristalina”, dijo el investigador principal Thomas Loerting, profesor de química física en la Universidad de Innsbruck en Austria. Eso significa averiguar la estructura repetitiva más simple del cristal, dónde se encuentran todos los átomos dentro de esa estructura, y cuál es la simetría de la estructura cristalina, dijo Loerting.
“Solo si se conocen todos estos, se le permite nombrar su hielo … Ice XIX es ahora el nombre de la nueva fase de hielo descubierta en nuestro trabajo”, dijo a Live Science en un correo electrónico.
Un artículo de Loerting y sus colegas que describe la nueva forma de hielo se publicó el 18 de febrero en la revista Nature Communications, junto con un estudio de investigadores en Japón que verificaron el descubrimiento.
Un nuevo hielo
Casi todo el mundo está familiarizado con la hermosa variedad de copos de nieve de seis lados, que refleja la disposición hexagonal de los átomos de oxígeno en los cristales de hielo de agua que los forman.
Pero los cristales regulares de hielo de seis lados (hielo I) son en realidad solo una de sus muchas formas, que se conocen como polimorfos. Y hasta hace poco, se habían identificado formalmente 18 polimorfos diferentes de hielo de agua, aunque solo el hielo de seis lados es común en la Tierra. Aunque el hielo puede parecer simple, es algo complicado. Por ejemplo, solo los átomos de oxígeno en las moléculas de agua de los cristales de hielo de seis lados forman una forma hexagonal, mientras que sus átomos de hidrógeno están orientados aleatoriamente alrededor de ellos. Esto convierte al hielo I en un hielo “desordenado” o “frustrado” en la terminología de los hielos. Una de las propiedades de estos hielos desordenados es que pueden deformarse bajo presión: “Esta es la razón por la que fluyen los glaciares”, dijo Loerting.
En contraste, los átomos de hidrógeno en varios de los otros polimorfos del hielo también tienen sus propios patrones de cristales, y como resultado se les llama “ordenados por hidrógeno” u “ordenados por H”. A diferencia de los hielos desordenados, los hielos ordenados en H son muy frágiles y se romperán, en lugar de deformarse, dijo.
En esos términos, la decimonovena forma de hielo recientemente identificada es un hielo con orden H; de hecho, es una forma ordenada H de un hielo desordenado, llamado hielo VI, que tiene un patrón aleatorio de átomos de hidrógeno. Y el hielo VI también tiene otro polimorfo de orden H, el hielo XV, en el que los átomos de hidrógeno están alineados en un patrón completamente diferente.
“Ice VI, Ice XV y Ice XIX son todos muy similares en términos de densidad [porque] comparten el mismo tipo de red de átomos de oxígeno”, dijo Loerting. “Pero difieren en términos de las posiciones de los átomos de hidrógeno”. Es la primera vez que se descubre una relación de este tipo entre los polimorfos de hielo y podría permitir experimentos para estudiar las transiciones entre una forma y otra, dijo.
Estructura cristalina
El equipo de Loerting hizo por primera vez el hielo XIX en sus experimentos de laboratorio hace tres años, al ralentizar el proceso de enfriamiento del hielo XV a aproximadamente menos 170°C y aumentar en gran medida la presión a aproximadamente 2 gigapascales. Pero los detalles de su estructura cristalina los eludieron hasta que pudieron estudiarlo con un proceso llamado difracción de neutrones, que puede revelar la estructura atómica de un material haciendo rebotar una corriente de neutrones y examinando el patrón de difracción resultante.
En circunstancias normales, la difracción de neutrones requiere intercambiar el agua de una muestra con agua pesada que contiene neutrones adicionales. Pero el agua pesada pura no fue práctica para los experimentos del hielo XIX porque se congela mucho más lentamente, dijo Loerting. El gran avance fue dosificar el agua pesada con una fracción de agua liviana regular, produciendo agua que se congeló rápidamente pero aún permitía la difracción de neutrones.
Loerting explicó que la estructura del hielo de agua es la clave de la naturaleza del enlace de hidrógeno, que se comprende de manera imperfecta. También es importante para comprender los cuerpos celestes, como los gigantes de hielo Urano y Neptuno y las lunas heladas de Júpiter (incluidas Europa, Ío y Ganímedes), donde se encuentran algunos otros polimorfos de hielo.
“Es de gran interés en astrofísica conocer la densidad y las propiedades de las fases del hielo, para poder comprender el comportamiento de los mantos helados o núcleos helados de estos cuerpos celestes”, dijo.
Y todavía hay muchos más polimorfos de hielo por ahí. El descubrimiento del hielo XIX produce seis polimorfos de hielo descubiertos en la Universidad de Innsbruck desde la década de 1980, y Loerting espera que su equipo también descubra el próximo. “La carrera por el hielo XX comenzó ayer y espero que mi grupo de investigación sea el que la publique”, dijo.
Fuente: Live Science.
