El descubrimiento de un nuevo hielo puede cambiar la comprensión del agua
El nuevo tipo de hielo está más cerca del agua líquida que cualquier otro hielo conocido, y podría reescribir nuestra comprensión del agua y sus muchas anomalías
Investigadores 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 y que podría reescribir nuestra comprensión del agua y sus numerosas anomalías.
Parte del montaje para crear hielo amorfo de densidad media
Christoph Salzmann
El hielo recién descubierto es amorfo, es decir, sus moléculas están desorganizadas y no ordenadas como en el hielo cristalino ordinario. El hielo amorfo, aunque poco frecuente en la Tierra, es el principal tipo de hielo que se encuentra en el espacio. Esto se debe a que, en el ambiente más frío del espacio, el hielo no tiene suficiente energía térmica para formar cristales.
Para el estudio, publicado en la revista Science, el equipo de investigadores utilizó un proceso llamado molienda de bolas, agitando enérgicamente hielo ordinario junto con bolas de acero en un frasco enfriado a -200 grados centígrados.
Descubrieron que, en lugar de obtener pequeños trozos de hielo ordinario, el proceso daba lugar a una nueva forma amorfa de hielo que, a diferencia de todos los demás hielos conocidos, tenía la misma densidad que el agua líquida y cuyo estado se asemejaba al del agua en estado sólido. El nuevo hielo recibió el nombre de hielo amorfo de densidad media (MDA).
El equipo sugirió que el MDA (que tiene el aspecto de un fino polvo blanco) podría existir en el interior de lunas heladas del sistema solar exterior, ya que las fuerzas de marea de gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno podrían ejercer sobre el hielo ordinario fuerzas de cizallamiento similares a las creadas por la molienda de bolas. Además, el equipo descubrió que cuando el MDA se calentaba y recristalizaba, liberaba una cantidad extraordinaria de calor, lo que significa que podría desencadenar movimientos tectónicos y "terremotos de hielo" en la capa de hielo de kilómetros de espesor de lunas como Ganímedes.
En palabras del profesor Christoph Salzmann (Química de la UCL), autor principal del estudio: "El agua es la base de la vida. Nuestra existencia depende de ella, lanzamos misiones espaciales en su busca y, sin embargo, desde un punto de vista científico no se conoce bien".
"Conocemos 20 formas cristalinas de hielo, pero sólo se han 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 numerosas anomalías."
La brecha de densidad entre los hielos amorfos conocidos ha llevado a los científicos a sugerir que el agua existe de hecho como dos líquidos a temperaturas muy frías y que teóricamente, a cierta temperatura, ambos líquidos podrían coexistir, con un tipo flotando sobre el otro, como cuando se mezclan aceite y agua. Esta hipótesis se ha demostrado en una simulación por ordenador, pero no se ha confirmado experimentalmente. Los investigadores afirman que su nuevo estudio puede plantear dudas sobre la validez de esta idea.
En palabras del profesor Salzmann: "Los modelos existentes del agua deben volver a ponerse a prueba. Tienen que ser capaces de explicar la existencia de hielo amorfo de densidad media. Éste podría ser el punto de partida para explicar por fin el agua líquida".
Los investigadores propusieron que el hielo recién descubierto podría ser el verdadero estado vítreo del agua líquida, es decir, una réplica exacta del agua líquida en estado sólido, del mismo modo que el vidrio de las ventanas es la forma sólida del dióxido de silicio líquido. Sin embargo, otra hipótesis es que el MDA no sea vítreo en absoluto, sino que se encuentre en un estado cristalino muy cizallado.
El profesor Andrea Sella (Química de la UCL), coautor del estudio, afirma: "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 hielo totalmente nuevo, con unas propiedades extraordinarias".
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 mientras era estudiante de doctorado en el laboratorio ICE (interfaces, catalítica y medio ambiente) de la UCL y la Universidad de Cambridge, declaró: "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".
El agua presenta muchas anomalías que han desconcertado a los científicos durante mucho tiempo. Por ejemplo, el agua es más densa a 4 grados centígrados y se vuelve menos densa a medida que se congela (de ahí que el hielo flote). Además, cuanto más se aprieta el agua líquida, más fácil resulta comprimirla, lo que se aparta de los principios que rigen para la mayoría de las demás sustancias.
El hielo amorfo se descubrió por primera vez en su forma de baja densidad en la década de 1930, cuando los científicos condensaron vapor de agua en una superficie metálica enfriada a -110 grados centígrados. Su estado de alta densidad se descubrió en la década de 1980, cuando se comprimió hielo ordinario a casi -200 grados centígrados. Aunque es común en el espacio, en la Tierra se cree que el hielo amorfo sólo se produce en las frías capas superiores de la atmósfera.
La molienda por bolas es una técnica utilizada en varias industrias para triturar o mezclar materiales, pero no se había aplicado antes 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 investigadores utilizaron otras técnicas para analizar la estructura y las propiedades del MDA, como la difracción de rayos X (para observar el patrón de los rayos X reflejados en el hielo) y la espectroscopia Raman (para observar cómo el hielo dispersa la luz) en la Facultad de Química de la UCL, así como la difracción de ángulo pequeño en el Centro de Ingeniería Inspirada en la Naturaleza de la UCL para explorar su estructura de largo alcance. También reprodujeron con éxito el proceso de producción de hielo de densidad media en una simulación por ordenador, utilizando la Instalación de Computación de Alto Rendimiento Kathleen de la UCL.
Además, utilizaron calorimetría para investigar el calor liberado cuando el hielo de densidad media recristalizaba a temperaturas más cálidas. Descubrieron que, si comprimían el MDA y luego lo calentaban, liberaba una cantidad sorprendentemente grande de energía al recristalizar, lo que demuestra que el H2Opuede ser un material geofísico de alta energía que puede impulsar movimientos tectónicos en las lunas heladas del sistema solar.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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