Físicos descubren extraña fase tetragonal del hielo de agua

Se ha descubierto una nueva forma cristalina de hielo de agua en transiciones fugaces entre fases a altas presiones.

Laser Heating in Diamond Anvil Cell

Se llama Ice-VII t , y tiene lugar cuando la sustancia se desliza entre dos disposiciones cúbicas de moléculas ya conocidas. Aunque es poco probable que Ice-VII t aparezca naturalmente en la superficie de la Tierra, podría revelar más sobre cómo se comporta el agua en mundos extraterrestres masivos.

Podríamos pensar que es un lugar común, pero el agua es bastante rara  en comparación con otros líquidos que conocemos. La disposición de las moléculas dentro de la forma congelada del agua (hielo) puede variar significativamente, dependiendo de las condiciones que la rodean.

Conocemos al menos 19 de estas fases sólidas de hielo, algunas de las cuales ocurren naturalmente, algunas de las cuales solo se han visto en condiciones de laboratorio.

El hielo que ves en el congelador, o que cae del cielo en forma de copos de nieve o granizo, es el hielo natural más común en la Tierra. Se llama Ice-I, con átomos de oxígeno dispuestos en una cuadrícula hexagonal. La estructura está, sin embargo, geométricamente frustrada , con los átomos de hidrógeno dando vueltas desordenadamente.

Cuando los físicos enfrían Ice-I a varias temperaturas y le aplican diferentes presiones, los átomos de hidrógeno y oxígeno dentro pueden alcanzar periódicamente diferentes arreglos, a veces incluso ordenándose de manera más ordenada. Estas diversas formas de hielo de agua no siempre son estables, pero podemos explorarlas en el laboratorio para revelar sus curiosas estructuras moleculares.

Dos de estas fases que tienen estructuras cúbicas son Ice-VII, que tiene hidrógeno desordenado, y Ice-X, que es simétrica. Estos se pueden alcanzar sometiendo el hielo a presiones altas de decenas a cientos de miles mayores que la presión atmosférica de la Tierra al nivel del mar, Ice-VII a presiones incluso más bajas que Ice-X.

Para estudiar las transiciones entre las fases del hielo, un equipo de físicos dirigido por Zach Grande de la Universidad de Nevada, Las Vegas, realizó experimentos en hielo a alta presión utilizando una nueva técnica para medir las propiedades del hielo a medida que se aplicaba la presión. 

Los investigadores exprimieron una muestra de agua en un yunque de diamante, obligándola a congelarse en un revoltijo de cristales. Luego se usaron láseres para calentar la muestra, lo que provocó que se derritiera antes de volver a congelarse en lo que los investigadores describieron como una colección de cristales en forma de polvo.

Al aumentar gradualmente la presión en el yunque, con explosiones periódicas del láser, los investigadores crearon Ice-VII y observaron la transición a Ice-X. En el medio, gracias a su nueva técnica de medición, también observaron la nueva fase intermedia, Ice-VII t .

En esta fase, la red cúbica de Ice-VII se estira a lo largo de uno de sus vectores para que la estructura se extienda en una disposición rectangular, con una huella cúbica, antes de asentarse en la disposición cúbica simétrica y completamente ordenada de Ice-X. Esta disposición se conoce como tetragonal .

El equipo también demostró que Ice-X puede formarse a presiones mucho más bajas de lo que se pensaba anteriormente. Ice-VII se forma a partir de aproximadamente 3 gigapascales ; es decir, 30.000 presiones atmosféricas. Según las observaciones del equipo, la transición a Ice-VI se produce alrededor de los 5,1 gigapascales.

Informes anteriores han puesto la presión de transición para Ice-X entre 40 y 120 gigapascales. Sin embargo, Grande y su equipo observaron que la transición entre Ice-VII t y Ice-X se producía alrededor de los 30,9 gigapascales.

Esto, dijo el equipo, debería ayudar a resolver el debate sobre la presión de transición Ice-X.

“El trabajo de Zach ha demostrado que esta transformación a un estado iónico ocurre a presiones mucho más bajas de lo que se pensaba antes”, dijo el físico Ashkan Salamat de la Universidad de Nevada, Las Vegas.

“Es la pieza que falta, y las mediciones más precisas jamás realizadas en el agua en estas condiciones”.

Esto, dijo el equipo, podría tener implicaciones importantes para estudiar las condiciones interiores de otros mundos. Los planetas ricos en agua fuera del Sistema Solar podrían, dijeron, tener Hielo-VII t en abundancia, incluso aumentando la posibilidad de condiciones adecuadas para el surgimiento de la vida.

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