No todo el hielo de agua se forma de la misma manera. Bajo ciertas condiciones, sus moléculas de red cristalina ordenadas cuidadosamente caen en desorden hasta que se asemejan a los componentes estructurales de sólidos amorfos como el vidrio y el plástico.

Hasta ahora, los científicos cuentan con una buena comprensión de estos procesos, pero una nueva observación exige una reflexión profunda sobre las teorías aceptadas del agua.

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Formas cristalinas

En la década de 1980 se descubrió un tipo particular de hielo amorfo el cual se forma al congelar el agua en hielo a temperaturas extremas y someter ese hielo bajo una presión tremenda. Se asumió que la estructura amorfa resultante estaba relacionada con el agua líquida, ya que se podría congelar el agua en hielo amorfo y volver a fundirla, pero ahora eso no se puede dar por sentado.

Las fases de hielo se producen cuando las moléculas se reorganizan en una estructura cristalina estable.

En un intento por estudiar el hielo amorfo de alta densidad, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORLN, por sus siglas en inglés), creó accidentalmente una sucesión de formas de hielo cristalino.

Como explica el investigador Chris A. Tulk, afiliado a la dirección de Ciencias Neutrónicas del ORLN y coautor del estudio:

“Si los datos de nuestro experimento fueran ciertos, significaría que el hielo amorfo no está relacionado con el agua líquida, sino que es una transformación interrumpida entre dos fases cristalinas, lo que sería una desviación importante de la teoría ampliamente aceptada.

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”.

El llamado hielo IX, hielo XV y el hielo VIII son solo tres de 17 fases de hielo que se producen cuando las moléculas se reorganizan en una estructura cristalina estable a temperaturas muy bajas variables y presiones muy altas.

Cada fase de hielo conocida se caracteriza por su estructura cristalina única dentro de su rango de presión-temperatura, donde las moléculas alcanzan equilibrio y estabilidad.

Con eso en mente, el equipo planeó estudiar los cambios en el hielo amorfo a medida que aumentaba su temperatura. Se esperaba que las moléculas desordenadas se volvieran a ensamblar en una estructura reticular ordenada cuando se “fundiera” nuevamente en una forma cristalina.

Para ello, el equipo tuvo que producir el hielo amorfo congelando una esfera de agua pesada de tres milímetros. Luego bajaron la temperatura de la esfera a -173 grados Celsius (100.15 Kelvin), mientras aumentaban gradualmente la presión hasta unas 28.000 veces la presión atmosférica de la Tierra a nivel del mar.

Cuando comenzaron a observar la estructura molecular, encontraron que el hielo se había transformado secuencialmente a través de cuatro formas cristalinas. Comenzó en el hielo Ih, eso es hielo normal, luego se formó hielo IX y el hielo XV, antes de terminar en el hielo XIII.

Secuencia de transformaciones

El primer pensamiento del equipo fue que la muestra de agua estaba contaminada. Así que hicieron el experimento de nuevo con una muestra fresca, observando el mismo resultado, por lo que repitieron el experimento nuevamente, y de nuevo, una vez más.

No todo el hielo de agua se forma de la misma manera; en condiciones extremas el hielo pasa por una serie de fases molecularmente distintas.

Cada vez veían lo mismo, una secuencia de transformaciones cristalinas a través de cuatro fases de hielo con una densidad cada vez mayor: hielo Ih, hielo IX, hielo XV e hielo XIII, sin siquiera un toque de hielo amorfo.

Así que el equipo de investigación revisó el experimento en sí y encontró una respuesta. Al aumentar la presión lentamente y recopilar datos en un punto de presión más bajo, el equipo había hecho algo que no se había logrado antes.

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Ese aumento de presión más lento permitió que la estructura de hielo se relajara y se ordenara a sí misma en hielo IX, en lugar de saltársela. Los experimentos anteriores pasaron rápidamente sobre la estructura del hielo IX sin relajación, lo que resultó en la fase amorfa.

Se cree que la transición de fase entre el agua de baja densidad y el agua de alta densidad ocurre en lo que se llama el segundo punto crítico, lo que los investigadores han buscado por décadas, y se cree que existe en algún lugar entre las fases cristalinas, pero los resultados de este experimento, cuestiona su propia existencia.

Referencia: Absence of amorphous forms when ice is compressed at low temperatura. Nature, 2019. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1204-5

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