Nueva forma de hielo descubierta inesperadamente durante un experimento

Anuncio

Apoyado por

La investigación ilustra lo mucho que los científicos todavía tienen que aprender sobre una molécula tan simple como el agua.

Envíale una historia a cualquier amigo

Como suscriptor, tienes 10 artículos de regalo para dar cada mes. Cualquiera puede leer lo que compartes.

Por Kenneth Chang

Sacudida y enfriada, pero no revuelta, el agua congelada ordinaria se convierte en algo diferente: una forma de hielo recién descubierta hecha de un revoltijo de moléculas con propiedades únicas.

"Esto es completamente inesperado y muy sorprendente", dijo Christoph Salzmann, profesor de química en el University College London en Inglaterra y autor de un artículo publicado el jueves en la revista Science que describía el hielo.

El agua es una molécula simple que los científicos han estudiado atentamente durante siglos: dos átomos de hidrógeno que sobresalen en un ángulo de 104,5 grados en forma de V de un átomo de oxígeno central.

El nuevo descubrimiento demuestra, una vez más, que el agua, una molécula sin la cual no se sabe que pueda existir la vida, sigue ocultando sorpresas científicas aún por desvelar. Este experimento empleó equipos relativamente simples y económicos para revelar una forma de hielo que podría existir en otras partes del sistema solar y en todo el universo.

En la vida cotidiana, nos encontramos con tres formas de agua: un gas vaporoso como el vapor, agua líquida que fluye y hielo duro y resbaladizo. El hielo de nuestra vida cotidiana consiste en moléculas de agua alineadas en un patrón hexagonal, y esas redes hexagonales se apilan ordenadamente una encima de la otra. La estructura hexagonal no está apretada, por lo que el hielo es menos denso que el agua líquida y flota.

Con permutaciones de temperatura y presión fuera de lo que generalmente ocurre en la Tierra, las moléculas de agua pueden ser empujadas hacia otras estructuras cristalinas. Los científicos ahora conocen 20 formas cristalinas de agua. La vigésima forma de hielo fue descubierta el año pasado.

Además, los investigadores también han documentado dos tipos de hielo con moléculas mezcladas, lo que llaman materiales amorfos. Debido a que uno de los hielos amorfos es más denso que el agua, se lo conoce como hielo amorfo de alta densidad; el otro, con una densidad menor que la del agua, es hielo amorfo de baja densidad. Los hielos amorfos no se encuentran en la Tierra, pero podrían prevalecer en el espacio exterior, en cometas, nubes interestelares y mundos helados como Europa, una luna de Júpiter.

Incluso hay un tipo de agua que es tanto líquida como sólida. En 2018, los científicos anunciaron la creación de "agua superiónica", que era simultáneamente sólida y líquida.

El Dr. Salzmann y sus colegas no buscaban agregar al catálogo de helados de agua. En cambio, querían estudiar cristales de hielo muy pequeños, porque los pedazos minúsculos de algo a veces poseen propiedades muy diferentes a las de los pedazos más grandes del mismo material.

Así que Alexander Rosu-Finsen, científico postdoctoral en el grupo de investigación del Dr. Salzmann y autor principal del artículo de Science, comenzó a romper hielo. El hielo de agua se enfrió primero en nitrógeno líquido a menos 320 grados Fahrenheit y luego se colocó en un recipiente junto con bolas de acero. Luego, una máquina sacudió el hielo y las bolas de acero, aún enfriadas a temperaturas ultrafrías, de un lado a otro a 20 veces por segundo, pulverizando el hielo en pedacitos diminutos, un proceso conocido como molienda de bolas.

Piense en ello como una coctelera de alta tecnología.

Luego, la Dra. Rosu-Finsen abrió el recipiente.

"He aquí, sucedió algo completamente inesperado", dijo el Dr. Rosu-Finsen, quien ahora es editor asociado de la revista Nature Reviews Chemistry.

El material blanco en el interior se veía como uno esperaría que se viera hielo triturado, pero se había transformado.

El material era ahora más denso y gran parte de la estructura cristalina había sido destruida, produciendo un material amorfo. La densidad, sin embargo, no coincidía con los ya conocidos hielos amorfos de alta y baja densidad. Curiosamente, cayó en el medio; de hecho, tenía casi exactamente la misma densidad que el agua líquida. Hasta ahora, todas las formas sólidas de hielo, cristalino o amorfo, eran significativamente más densas o menos densas que el agua líquida.

Los investigadores lo llamaron hielo amorfo de densidad media o MDA.

El golpe de las bolas de acero aplicó una fuerza de corte en los cristales de hielo, lo suficiente como para sacar las moléculas de agua de sus posiciones de cristal, lo que les permitió empaquetarse con mayor fuerza.

"Es realmente genial", dijo Marius Millot, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, quien dirigió el experimento que creó agua superiónica. "Lo que nos dice es que todavía hay muchas cosas que no entendemos".

Que el hielo amorfo de densidad media tenga casi la misma densidad que el agua líquida plantea la posibilidad de que en realidad sea un vaso, una cacofonía líquida de moléculas que fluyen hasta que se enfría, se ralentiza y se congela en el tiempo sin cristalizar, todavía desordenada.

"Esta es la pregunta clave", dijo el Dr. Salzmann. "¿Es MDA el vaso de agua líquida?"

Los experimentos de seguimiento podrían agregar impurezas al hielo. "Hemos hecho los experimentos con hielo puro", dijo el Dr. Salzmann. "La siguiente pregunta es, ¿qué pasará si empezamos a mezclar otras cosas?"

Los hallazgos podrían ser de utilidad para los científicos planetarios. Las temperaturas caen dentro de lo que se encuentra en Europa, y Júpiter ejerce enormes fuerzas de marea en la luna del océano helado, que será visitada y estudiada de cerca por la NASA y los orbitadores europeos.

"Obtienes exactamente el mismo tipo de movimiento de corte", dijo el Dr. Salzmann. "La especulación ahora es que podría haber algo de MDA en el sistema solar exterior".

Los investigadores también encontraron una propiedad de MDA que es única entre los hielos de agua. Para la mayoría de los materiales, si lo comprime y luego libera la presión, simplemente vuelve a ser como era antes. Pero comprimir MDA y luego liberar la presión y calentarlo liberó una gran explosión de energía.

Esa energía, liberada a medida que el hielo amorfo se recristaliza, podría desencadenar terremotos, por ejemplo.

Eso significa que quizás la física del nuevo hielo podría desempeñar un papel en la formación de la corteza helada de Europa y la dinámica del hielo más abajo en el océano de la luna, con implicaciones sobre si las condiciones podrían ser hospitalarias para la vida.

Una versión anterior de este artículo expresó erróneamente el ángulo entre los enlaces hidrógeno-oxígeno en una molécula de agua. Son 104,5 grados, no 120.

Cómo manejamos las correcciones

Kenneth Chang ha estado en The Times desde 2000, escribiendo sobre física, geología, química y los planetas. Antes de convertirse en escritor científico, era un estudiante graduado cuya investigación involucraba el control del caos. @kchangnyt

Anuncio