Un equipo de investigadores encabezado por Arianna Gleason, del Laboratorio Nacional Los Álamos (Estados Unidos), ha sido capaz, por primera vez, de observar como se forma, molécula a molécula, un tipo de hielo de agua particualrmente denso llamado hielo VII. Este tipo de hielo solo se encuentra de forma natural fuera de la Tierra en entornos muy concretos, como tras la colisión de dos cuerpos planetarios helados.
Además de ayudar a los científicos a comprender mejor esos mundos remotos, los resultados podrían ayudar a comprender cómo el agua y otras sustancias experimentan transiciones de líquidos a sólidos, algo en absoluto trivial y mucho menos conocido de lo que se cree. Aprender a manipular esas transiciones podría abrir el camino algún día a crear materiales con nuevas propiedades exóticas.
Los estudios científicos de cómo los materiales sufren cambios de fase entre los estados de gas, líquido y sólido se han venido realizando durante siglos. Pero el diablo está en los detalles: los cambios de fase pueden ocurrir muy rápidamente y lo interesante ocurre a escala atómica. Simplemente por facilidad de planteamiento experimental los estudios de transiciones de fase a nivel atómico-molecular se han hecho a partir de sólidos estables y se ha tratado de reconstruir los pasos moleculares que han dado los líquidos predecesores. Lo que el actual trabajo ha hecho ha sido lo que nunca se había hecho: se ha observado directamente cómo se ha formado el hielo VII en tiempo real.
Para conseguir algo así no vale cualquier instrumental como veremos a continuación. Por ejemplo, para trabajar en las escalas de tiempo necesarias se ha empleado el Linac Coherent Light Source, el láser de rayos X más potente del mundo. Un haz de este láser se hizo incidir sobre una pequeña muestra de agua líquida contenida en un recipiente con una de las caras de diamante. La incidencia del láser hace que las capas externas del diamante se vaporicen instantáneamnete generando una presión dentro del contenedor que supera en más 50.000 veces la presión que ejerce la atmósfera a nivel del mar.
Conforme el agua se compacta, un segundo haz láser de otro instrumento, el X-ray Free Electron Laser, incide en una serie de pulsos de solo un femtosegundo, la mil-billonésima parte de un segundo. Al igual que los flashes de una cámara, este láser de rayos X estroboscópico genera un conjunto de imágenes que ponen de manifiesto la progresión de los cambios moleculares que ocurren en el agua presurizada que cristaliza como hielo VII. El cambio de fase dura solo 6 mil millonésimas de segundo, o nanosegundos. Sorprendentemente, durante este proceso, las moléculas de agua se unieron formando “varillas” y no esferas como cabría esperar.
En las condiciones existentes en la superficie de nuestro planeta el agua cristaliza de una sola manera, denominada hielo Ih («hielo uno-hache») o simplemente «hielo hexagonal», ya sea en glaciares o cubetas de hielo en el congelador. La investigación sobre los tipos de hielo extraterrestre, incluyendo el hielo VII, ayudará a los científicos a modelar entornos tan remotos como los impactos de cometas, las estructuras internas de cuerpos potencialmente sustentadores de vida y llenos de agua como la luna Europa de Júpiter y la dinámica de exoplanetas gigantescos, rocosos y oceánicos llamados super-Tierras.
Referencia:
A. Gleason et al (2017) Compression Freezing Kinetics of Water to Ice VII Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.119.025701
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance
Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next
