Descubiertas las formas de hielo más complejas hasta la fecha

Los científicos siguen detectando nuevas formas de hielo. Según las simulaciones, podrían quedar muchas más por descubrir.

Un artículo de Shalma Wegsman. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

El hielo existe en muchas más formas que las que encontramos en un congelador o en un glaciar. Desde 1900, los científicos han observado más de 20 fases del hielo, muchas de ellas configuradas bajo condiciones extremas. La lista creciente incluye hielo caliente e incluso hielo capaz de conducir la electricidad.

Se denomina hielo a cualquier fase sólida y cristalina del agua; es decir, aquella que presenta una estructura molecular repetitiva. Durante la última década, las simulaciones por ordenador han predicho decenas de miles de posibles formas de hielo. Aunque son poco frecuentes en nuestro planeta, estos hielos exóticos podrían existir en entornos extraterrestres, desde las colas frías y amorfas de los cometas hasta los núcleos calientes y sometidos a enormes presiones de los planetas helados.

A medida que los físicos someten el agua a prueba mediante técnicas experimentales cada vez más avanzadas, continúan encontrando sorpresas. «Se toma agua y, simplemente según cómo se la comprima —un poco más rápido, un poco más despacio, aumentando y disminuyendo la presión, en la escala temporal adecuada—, aparecen comportamientos completamente inesperados», explica Marius Millot, científico investigador del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), en California.

Al abandonar viejos supuestos y aplicar nuevas técnicas, los científicos han descubierto tres nuevos tipos de hielo en el último año, entre ellos dos de las fases de hielo más complejas jamás observadas. «Parece un momento realmente extraordinario», afirma Chris Pickard, físico de la Universidad de Cambridge. «Están encontrando muchas más de estas estructuras».

Space Oddity (Rareza espacial)

La geometría del agua la convierte en una sustancia excepcionalmente versátil. Fu estructura molecular puede organizarse en muchas configuraciones posibles. Cada molécula de agua puede imaginarse como una unidad central con cuatro brazos separados por la fuerza electromagnética. La unidad central es un átomo de oxígeno. Unido a él hay dos átomos de hidrógeno y, sobresaliendo como extremidades adicionales, dos pares de electrones libres remanentes.

En la forma más común del hielo, estos bloques constitutivos se combinan para formar una estructura hexagonal similar a una jaula. La amplitud de esta disposición hace que el hielo ordinario sea menos denso que el agua líquida. Por eso el hielo flota y los cuerpos de agua se congelan desde la superficie hacia abajo, permitiendo que la vida submarina sobreviva durante el invierno.

Sin embargo, cuando el agua se somete a presión, su estructura puede comprimirse y solaparse en una aparente infinidad de patrones posibles. Debido a que puede adoptar tantas formas distintas, «la física y la química del agua pueden ser completamente diferentes» de un entorno a otro, señala Livia Bove, física de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL). «Es topológicamente hermoso».

En 2018, un grupo internacional de investigación formado por científicos europeos y japoneses desarrolló una ambiciosa simulación informática de la dinámica de las moléculas de agua con el objetivo de predecir formas de hielo aún no descubiertas. El resultado fue un catálogo de más de 75 000 fases, cada una caracterizada por una manera ligeramente distinta en la que las moléculas de agua podían ensamblasen bajo diferentes combinaciones de temperatura y presión.

En la práctica, los científicos no esperan encontrar ni de lejos tantas fases ; el hecho de que una estructura sea matemáticamente posible no implica que vaya a formarse en la naturaleza. «Siempre existe cierta incertidumbre asociada a las afirmaciones sobre la existencia de nuevas fases cuando se basan únicamente en simulaciones», escribe en un correo electrónico Federica Coppari, física del LLNL. Algunas fases requerirían cantidades absurdas de energía para formarse. Otras serían tan frágiles que colapsarían de inmediato.

Los científicos intentan reducir las predicciones únicamente a aquellas estructuras que parecen viables. «Al final el número se reduce», dice Pickard, quien participó en la simulación. «Pero la realidad es que no sabemos exactamente cómo establecer ese filtro». Para descubrir las formas que el hielo adopta realmente, los científicos recurren al laboratorio.

Under Pressure (Bajo presión)

En 2018, Yong-Jae Kim era investigador posdoctoral en el Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS), donde estudiaba cómo el agua a temperatura ambiente se transforma en hielo bajo presiones extremas. El experimento consistía en comprimir una gota de agua entre dos diamantes y estudiar los cambios de su estructura molecular mediante técnicas de imagen de alta velocidad y otros métodos de análisis.

Al revisar los datos del experimento, Kim observó algo que inicialmente parecía un error. Durante apenas unas decenas de milisegundos, el hielo parecía perder su estructura y disolverse en un conjunto caótico de moléculas antes de pasar a la siguiente fase. Kim temió que el agua se hubiera contaminado con sudor o suciedad. «En aquella etapa me sentía más preocupado que entusiasmado», comenta. Compartió la observación con el resto del equipo, pero se quedó sin tiempo para investigarla más a fondo.

En 2025, investigadores del KRISS realizaron una versión mejorada del mismo experimento utilizando el sistema de diamantes de Kim y consiguieron reproducir aquella extraña estructura. Era tan compleja que, al principio, parecía casi aleatoria. «Pero si uno toma distancia», explica Kim, «vemos la estructura macroscópicamente. Tiene periodicidad».

Los investigadores trasladaron su dispositivo a la instalación European X-Ray Free-Electron Laser Facility, en Alemania, que alberga un láser capaz de acelerar electrones a través de un túnel de 3,4 kilómetros de longitud y hacerlos pasar posteriormente por imanes especiales para generar pulsos de rayos X. «Cuanto más intensos son los haces de rayos X, mejores imágenes se obtienen de las estructuras cristalinas», explica Pickard.

Los científicos hicieron incidir potentes haces láser de rayos X sobre el hielo y midieron cómo se dispersaban. La mayoría de las fases del hielo desvían los rayos únicamente en un par de direcciones distintas, ya que sus patrones cristalinos se repiten tras unas pocas moléculas. Pero esta muestra desvió la luz en aproximadamente 15 trayectorias diferentes.

Cuando los científicos analizaron las imágenes, descubrieron que el patrón cristalino contenía nada menos que 152 moléculas. La observación permitió asignar oficialmente a esta fase el nombre de hielo XXI.

Además, la nueva fase resultó ser totalmente inesperada. El equipo revisó las decenas de miles de fases predichas por el grupo de Pickard buscando una coincidencia, pero no encontró ninguna. Resultó que la estructura periódica del hielo XXI superaba el tamaño máximo considerado por la simulación. «Básicamente encontraron algo mucho más complicado de lo que nosotros habíamos obtenido», señala Pickard.

Sin que el equipo del KRISS lo supiera, un grupo de la Universidad de Okayama ya había predicho esa estructura en otra simulación distinta y más específica, también realizada en 2018. Esa simulación más focalizada predijo además otras dos fases de hielo que todavía no han sido descubiertas.

Changes (Transiciones)

Los investigadores del KRISS y Kim, actualmente en el LLNL, no pretendían descubrir una nueva fase de hielo. Su objetivo era investigar otra propiedad extraña del agua relacionada con la forma en que pasa de una fase a otra. La teoría clásica de las transiciones de fase predice que cualquier sistema retornará a su estado de mínima energía. Sin embargo, el agua no siempre sigue esas predicciones.

Por ejemplo, la muestra de Kim no respondió a la compresión ejercida por el dispositivo de diamantes pasando directamente a su estado más estable, que a ese nivel de presión sería una forma denominada hielo VI. En lugar de ello, pasó del agua al hielo XXI y después al hielo VII. Estas fases intermedias reciben el nombre de estados metaestables, y su existencia demuestra que algunas transiciones de fase ocurren por etapas y no de manera instantánea.

Los estados metaestables del agua respaldan una teoría de las transiciones de fase denominada regla de las etapas de Ostwald, llamada así en honor a Wilhelm Ostwald, químico físico alemán y contemporáneo de Albert Einstein. (Einstein fue rechazado inicialmente para un puesto en el laboratorio de Ostwald, aunque posteriormente ambos se hicieron amigos y Ostwald acabó proponiendo a Einstein para el Premio Nobel) . La regla de Ostwald sugiere que los sistemas transitan hacia el estado de fase más cercano y más fácil de alcanzar, en lugar de hacerlo hacia el más estable termodinámicamente, y que en ocasiones quedan atrapados en él. «Es una paradoja interesante que, a veces, el estado más fácil de formar sea el menos estable», comenta Pickard.

Un grupo liderado por Hiroki Kobayashi, de la Universidad de Tokio, ya ha continuado el trabajo sobre el hielo XXI —según informaron en un artículo preliminar— reproduciéndolo mediante técnicas diferentes. En el proceso descubrieron una fase próxima, ahora denominada hielo XXII, aún más compleja, cuyo patrón solo se repite cada 304 moléculas. A temperaturas más bajas, el grupo también desarrolló un método fiable para producir hielo IV, una fase metaestable tan esquiva que ha recibido el sobrenombre de *will-o’-the-wisp* (fuegos fatuos), en referencia a las luces fantasmales que atraen a los viajeros en las leyendas populares.

A medida que los científicos observan más estados metaestables, recopilan evidencias de que esta aplicación de la teoría de Ostwald主 describe correctamente cómo funcionan las transiciones de fase no solo en el hielo, sino también en otros tipos de cristales, incluidos los utilizados en medicina. Cambiar la fase de un fármaco puede alterar su eficacia, algo frente a lo que las fábricas deben protegerse. «A veces los medicamentos pueden pasar de una fase a otra y arruinar todo el lote», explica Pickard. La teoría de Ostwald ayuda a predecir cuándo podría ocurrir esto.

Let’s Dance (Baile molecular)

En 2025, el equipo de Bove en Lausana descubrió una fase metaestable de hielo más pequeña pero, en ciertos aspectos, aún más extraña. En un estudio publicado en Nature, informaron de la primera observación del hielo plástico VII. Se trata de una variante del hielo VII, una fase de alta presión del hielo, que aparece cuando el hielo se calienta hasta aproximadamente 500 °C.

En el hielo plástico, las moléculas de agua conservan su estructura cristalina sólida, pero giran rápidamente sobre sí mismas. Este movimiento es difícil de observar; el hidrógeno es prácticamente invisible a los rayos X, que en las moléculas de agua solo se dispersan en los átomos de oxígeno. «Si no se pueden ver los hidrógenos, realmente no se puede determinar si la molécula de agua está rotando», indica Pickard.

Por ello, además de utilizar rayos X, el equipo de Bove adoptó otra técnica: enviaron un flujo de neutrones al hielo caliente. «Esas técnicas con neutrones son increíblemente potentes», afirma Millot. «Permiten observar las moléculas y comprobar si vibran, si rotan, o si vibran y rotan al mismo tiempo».

Las moléculas rotatorias del hielo plástico VII proporcionan al hielo cierta elasticidad, similar a la de un trampolín suave. Se cree que el hielo plástico VII existe en el interior de los núcleos de lunas heladas y que constituye un estado intermedio por el que pasa el hielo antes de convertirse en una forma más caliente denominada hielo superiónico (o hielo XVIII), descubierto por primera vez en 2019. En esta forma, los hidrógenos se liberan completamente de sus enlaces con los oxígenos, permitiendo que el hielo conduzca electricidad.

Investigaciones como la de Bove muestran que observar más fases del agua puede requerir nuevas técnicas experimentales o la combinación de varias de ellas. Actualmente, los científicos trabajan en métodos capaces de aumentar aún más la presión aplicada al agua. «La presión final que pretendemos alcanzar es realmente enorme», explica Coppari, «más del doble de la presión existente en el centro de la Tierra».

Vivimos en el planeta del agua, pero todavía seguimos aprendiendo de lo que el agua es capaz. «Cuanto más observamos y mejores son los experimentos, más sorpresas encontramos», concluye Millot.

El artículo original, Physicists Discover the Most Complex Forms of Ice Yet, se publicó el 27 de abril de 2026 en Quanta Magazine. Cuaderno de Cultura Científica tiene un acuerdo de distribución en castellano con Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López

Nota del traductor:

El texto original contiene varias meta-referencias musicales que se pierden necesariamente en la traducción. Así, las secciones originales son “Space Oddity” (Rareza espacial), “Under pressure” (Bajo presión), “Changes” (Transiciones) y “Let´s dance” (Baile molecular). Toda una colección de grandes éxitos de David Bowie. Es por ello que aparecen así en el texto acompañadas entre paréntesis de una traducción al castellano adaptada al texto general. En los enlaces pueden encontrase los videoclips originales. Es una genialidad que un fan de Bowie no pude dejar de apreciar y respetar.