Es algo tan común en nuestras vidas cotidianas. Por eso sorprende que la ciencia tenga todavía por responder tantas preguntas respecto del hielo, la forma sólida del agua que ves en las bebidas, en las cimas de las montañas, y por supuesto, en superficies extraterrestres. Lo fascinante es que la ciencia sigue encontrando nuevos tipos de hielo completamente diferentes. Y eso suma al misterio en torno a cómo se forma el hielo en entornos distintos.
En un reciente trabajo de investigación que aparece en Nature Materials un equipo de científicos encabezado por el Instituto de Ciencia, Investigación y Estándares de Corea (KRISS, sus siglas en inglés) informó que descubrió el Hielo XXI, una nueva fase de hielo que se forma cuando se comprime rápidamente el agua a temperatura ambiente. Lo que intriga es que esta forma de hielo se produce dentro del rango de presión del hielo VI, una forma ya conocida que se sabe que existe dentro de las lunas de hielo como Titán y Ganímedes.
Caminos de hielo
En cuanto a la química el hielo (a pesar de contener dos elementos, hidrógeno y oxígeno) puede formar cantidad de estructuras cristalinas diferentes en su estado sólido. Hasta ahora la ciencia descubrió 20 estructuras diferentes, y tal como lo indica el nombre, el Hielo XXI es la vigésimo primera.
“Hay muchas preguntas sobre cómo es que un material tan simple pueda formar tantas fases de cristales distintas”, dijo Geun Woo Lee, autor principal del trabajo e investigador en el KRISS, durante una entrevista con European XFEL. Los investigadores quieren “entender en detalle los caminos de la cristalización del agua para formar el hielo”.
Para hallarlos, experimentan con diferentes temperaturas y presiones, identificando los diversos “caminos” por los que las moléculas de agua se organizan para formar hielo. En este experimento el equipo descubrió un camino “oculto” dentro de la región de presión que forma el Hielo VI.
“La rápida compresión del agua permite que permanezca en estado líquido a presiones mayores en las que ya tendría que haberse cristalizado en hielo VI”, explicó Lee en declaraciones del DESY.
En su camino al hielo VI, el hielo XXI se forma como estructura metaestable, lo que significa que queda en un equilibrio precario entre una fase y otra, y durante algún tiempo permanece así “aunque otra forma de hielo sería más estable bajo tales condiciones”, explicaron los investigadores.
Rayos X gigantes
Para el experimento los investigadores fabricaron dos células yunque diamante, algo parecido a “un rompenueces construido con esteroides” capaz de producir presiones extremas de hasta dos gigapascales, o 20.000 veces más que la presión normal atmosférica. El equipo comprimió y descomprimió las moléculas de agua de las células reiteradas veces, y los láseres gigantes de rayos X del XFEL europeo captaron cada microsegundo de cambios en el hielo.
Luego usaron el PETRA III, un acelerador de partículas del DESY para determinar la estructura exacta del hielo XXI: cristales tetragonales compuestos de grandes unidades repetitivas diferentes a lo que se haya visto en cualquier otra fase del hielo.
“Nuestros hallazgos sugieren que podría existir una cantidad mucho mayor de fases de hielo metaestable a altas temperaturas, con sus caminos de transición”, añadió Rachel Husband, coautora del estudio y física del centro DESY de Alemania. Dijo que con más trabajos de investigación podrían obtenerse “más información sobre la composición de las lunas de hielo”.
“El hielo es uno de los materiales más misteriosos del universo. ¿Por qué dos elementos tan simples conforman tantos tipos diferentes de fases? Pensamos que todavía hay más fases de cristales de hielo que no conocemos, y cuando digo que no las conocemos es que todavía no las descubrimos, pero que probablemente existan”, añadió Lee.
