A través de un experimento diseñado para crear un estado de agua súper frío, científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de Estados Unidos utilizaron la dispersión de neutrones para descubrir un camino hacia la inesperada formación de densas fases cristalinas del hielo que existen más allá de los límites de la Tierra.
La observación de estas fases particulares de hielo cristalino, conocidas como hielo IX, hielo XV y hielo VIII, cuestionan las teorías aceptadas sobre el agua superenfriada y el hielo amorfo o no cristalino. Los hallazgos de los investigadores, publicados en la revista 'Nature', también conducirán a una mejor comprensión básica del hielo y sus diversas fases encontradas en otros planetas y lunas y en otras partes del espacio.
"El hidrógeno y el oxígeno se encuentran entre los elementos más abundantes del universo, y el compuesto molecular más simple de los dos, el H2O, es común", explica el autor principal de este trabajo, Chris Tulk, científico responsable de la dispersión de neutrones en el ORNL. "De hecho, una teoría popular sugiere que la mayor parte del agua de la Tierra se trajo aquí a través de colisiones con cometas helados", añade.
En la Tierra, cuando las moléculas de agua alcanzan los cero grados centígrados, entran en un estado de menor energía y se asientan en una red cristalina hexagonal. Esta forma congelada se denomina hielo Ih, la fase más común del agua que se puede hallaron en los congeladores domésticos o en las pistas de patinaje. El hielo IX, el hielo XV y el hielo VIII son tres de al menos 17 fases de hielo que se realizan cuando las moléculas se reorganizan en una estructura cristalina estable a temperaturas muy bajas variables y presiones muy altas, condiciones que no ocurren naturalmente en la Tierra.
"A medida que el hielo cambia de fase, es similar al agua que va de un gas a un líquido a un sólido, excepto a bajas temperaturas y alta presión: el hielo se transforma entre varias formas sólidas diferentes", relata Tulk. Cada fase de hielo conocida se caracteriza por su estructura cristalina única dentro de su rango de estabilidad de presión-temperatura, donde las moléculas alcanzan el equilibrio y las moléculas de agua exhiben un patrón tridimensional regular, y la estructura se vuelve estable.
Para hacer hielo amorfo, los científicos congelan el agua en un dispositivo de alta presión que se enfría a menos 173ºC y se presuriza a aproximadamente 10.000 atmósferas
Inicialmente, Tulk y sus colegas del Consejo Nacional de Investigación de Canadá y de la Universidad de California en Los Ángeles estaban explorando la naturaleza estructural del hielo amorfo, un estado de hielo que se forma sin una estructura cristalina ordenada, ya que se recristaliza a presiones aún más elevadas.
Para hacer hielo amorfo, los científicos congelan el agua en un dispositivo de alta presión que se enfría a menos 173ºC y se presuriza a aproximadamente 10.000 atmósferas, o 66.678 kilogramos por pulgada cuadrada (los neumáticos de los autos se inflan a aproximadamente 14,5 kilogramos por pulgada cuadrada). "Se cree que este tipo de hielo amorfo está relacionado con el agua líquida, y comprender ese vínculo fue el propósito original de este estudio", explica Tulk.
En la Fuente de Neutrones de Espalación de ORNL, el equipo congeló una esfera de tres milímetros, o aproximadamente media gota, de agua deuterada, que tiene un neutrón adicional en el núcleo de hidrógeno necesario para el análisis de dispersión de neutrones. Luego, programaron los difractómetros de presión y los neutros de presión, o SNAP, a -173ºC. El instrumento aumentó la presión gradualmente cada par de horas hasta 186.426 kilogramos por pulgada cuadrada, o aproximadamente 28.000 atmósferas mientras se recogen datos de dispersión de neutrones entre cada aumento de presión.
El hielo amorfo puede no tener relación con el agua líquida
"Una vez que conseguimos el hielo amorfo, planeamos elevar la temperatura y la presión y observar el ordenamiento molecular local cuando el hielo amorfo se 'funde' en un líquido superenfriado y luego se recristaliza", dice Tulk. Sin embargo, después de analizar los datos, se sorprendieron al saber que no habían creado hielo amorfo, sino más bien una secuencia de transformaciones cristalinas a través de cuatro fases de hielo con una densidad cada vez mayor: desde el hielo Ih al hielo IX al hielo XV al hielo XIII. No hubo evidencia de hielo amorfo en absoluto.
"He hecho muchas de estas muestras siempre comprimiendo hielo a baja temperatura", afirma el coautor Dennis Klug, del Consejo Nacional de Investigación de Canadá, el laboratorio que descubrió originalmente la "amorfización" del hielo provocada por la presión en 1984. "Nunca había visto este camino de presión-temperatura como resultado de una serie de formas cristalinas como esta. Si los datos de nuestro experimento fueran ciertos, significaría que el hielo amorfo no está relacionado con el agua líquida, sino que es más bien una transformación interrumpida entre dos fases cristalinas, una desviación importante de la teoría ampliamente aceptada", agrega Klug.
La relación entre el hielo amorfo inducido por la presión y el agua ahora está en duda, y el segundo punto crítico puede que ni siquiera exista
Al principio, el equipo pensó que su observación era el resultado de una muestra contaminada. Tres experimentos más con muestras frescas y cuidadosamente manipuladas en SNAP produjeron resultados idénticos, reconfirmando la secuencia de transformación estructural sin formación de hielo amorfo.
La clave fue la lenta tasa de aumento de la presión y la recolección de datos a una presión más baja que permitió que la estructura del hielo se relajara y se convirtiera en la forma estable del hielo IX. Los experimentos anteriores pasaron rápidamente sobre la estructura del hielo IX sin relajación, lo que resultó en la fase amorfa.
Durante 35 años, los científicos han estado investigando las propiedades del agua súper fría y buscando lo que se conoce como el segundo punto crítico, que está enterrado dentro de las fases de hielo sólido. Pero estos resultados cuestionan su propia existencia. "La relación entre el hielo amorfo inducido por la presión y el agua ahora está en duda, y el segundo punto crítico puede que ni siquiera exista", plantea Tulk.
"Los resultados de este documento formarán la base del análisis de futuros estudios de fases de hielo amorfo durante los próximos experimentos realizados en el SNS", adelanta.
