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| Parte del montaje para crear hielo amorfo de densidad media. Crédito: Christoph Salzmann |
El hielo de agua tiene muchas fases cristalinas, junto con algunas estructuras amorfas. El hielo amorfo, aunque poco frecuente en la Tierra, es el principal tipo que se encuentra en el espacio. Gobiernan varios procesos cosmológicos y son materiales potencialmente clave para explicar las anomalías del agua líquida. Dada la gran importancia del hielo, es importante comprender su complejo diagrama estructural.
Ahora, científicos de la UCL y la Universidad de Cambridge han descubierto un nuevo tipo de hielo que se asemeja más al agua líquida que cualquier otro hielo conocido, lo que podría reescribir nuestra comprensión del agua y sus numerosas anomalías. El hielo recién descubierto es amorfo: sus moléculas están desorganizadas. Necesitan ordenarse adecuadamente como el hielo ordinario y cristalino.
En un tarro congelado a -200 grados Celsius, los científicos emplearon una técnica conocida como molienda de bolas, agitando agresivamente hielo común y bolas de acero. La molienda de bolas se utiliza en varias industrias para triturar o mezclar materiales, pero aún no se había aplicado al hielo.
En el estudio, se utilizó nitrógeno líquido para enfriar un tarro de molienda a -200 grados centígrados, y se determinó la densidad del hielo molido por bolas a partir de su flotabilidad en nitrógeno líquido. Los científicos utilizaron otras técnicas, como la difracción de rayos X y la espectroscopia Raman, para analizar la estructura y las propiedades del hielo. También utilizaron la difracción de ángulo pequeño para explorar su estructura de largo alcance.
Descubrieron que el procedimiento producía un nuevo tipo de hielo amorfo, distinto de todos los demás hielos conocidos, que tenía la misma densidad que el agua líquida y cuyo estado se asemejaba más al agua en estado sólido que a trozos microscópicos de hielo ordinario. Su nuevo hielo recibió el nombre de hielo amorfo de densidad media (MDA).
También analizaron el calor liberado cuando el hielo de densidad media recristalizaba a temperaturas más cálidas mediante calorimetría. Descubrieron que al comprimir y calentar el MDA se recristalizaba con una importante liberación de energía, lo que demuestra que el agua puede ser un material geofísico de alta energía responsable de los procesos tectónicos de las lunas heladas del sistema solar.
Dado que las presiones de marea de gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno pueden imponer al hielo común tensiones de cizallamiento similares a las causadas por la molienda de bolas, los científicos propusieron que el MDA, que se asemeja a un fino polvo blanco, puede existir en el interior de lunas de hielo del sistema solar exterior.
Los científicos también descubrieron que el MDA producía una cantidad inusual de calor cuando se calentaba y recristalizaba, lo que significaba que podría causar vibraciones tectónicas y "terremotos de hielo" en la capa de hielo de kilómetros de espesor que cubre lunas como Ganímedes de Júpiter.
En palabras del profesor Christoph Salzmann (Química de la UCL), autor principal del estudio: "Conocemos 20 formas cristalinas de hielo, pero hasta ahora sólo se habían descubierto dos tipos principales de hielo amorfo, conocidos como hielos amorfos de alta y baja densidad. Existe una enorme diferencia de densidad entre ambos, y la creencia generalizada es que no existe hielo dentro de ese intervalo de densidad. Nuestro estudio demuestra que la densidad del MDA se encuentra precisamente dentro de esa brecha de densidad, y este hallazgo puede tener consecuencias de gran alcance para nuestra comprensión del agua líquida y sus muchas anomalías."
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| Una nueva forma de hielo muy similar en estructura molecular al agua líquida (izquierda), en comparación con el hielo cristalino ordinario (derecha). Crédito: Universidad de Cambridge |
Los científicos creen que el agua existe realmente como dos líquidos a temperaturas poco profundas y que, teóricamente, a una temperatura específica, ambos líquidos podrían coexistir, con un tipo flotando sobre el otro, como cuando se mezclan aceite y agua. La diferencia de densidad entre los hielos amorfos conocidos apoya esta teoría. Esta teoría se ha comprobado en una simulación por ordenador y no mediante experimentos.
Según los científicos, su nuevo estudio puede plantear dudas sobre la validez de esta idea.
Los científicos propusieron que el hielo recién descubierto podría ser el verdadero estado vítreo del agua líquida. Se trata de una réplica del agua líquida en estado sólido. Otra hipótesis es que el MDA no sea vidrioso en absoluto, sino que se encuentre en un estado cristalino muy cizallado.
En palabras del profesor Andrea Sella (Química de la UCL), coautor del estudio: "Hemos demostrado que es posible crear lo que parece un tipo de agua en stop-motion. Es un hallazgo inesperado y sorprendente".
El autor principal, el Dr. Alexander Rosu-Finsen, que llevó a cabo el trabajo experimental mientras trabajaba en Química de la UCL, afirmó: "Agitamos el hielo como locos durante mucho tiempo y destruimos la estructura cristalina. En lugar de acabar con trozos de hielo más pequeños, nos dimos cuenta de que habíamos dado con un tipo de cosa totalmente nueva con algunas propiedades notables".
El equipo también creó un modelo computacional del MDA imitando el procedimiento de fresado con bolas mediante el cizallamiento aleatorio repetido del hielo cristalino. El Dr. Michael Davies, que realizó el modelo computacional cuando era estudiante de doctorado en el laboratorio ICE (interfaces, catalizador y medio ambiente) de la UCL y la Universidad de Cambridge, afirmó: "Nuestro descubrimiento del MDA plantea muchos interrogantes sobre la naturaleza del agua líquida, por lo que comprender la estructura atómica precisa del MDA es muy importante".
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