Otras Ciencias

Crean una extraña fase del agua que desconcierta a los científicos.

Los científicos que estudian los estados súper fríos del agua descubrieron un camino hacia la inesperada formación de densas y cristalinas fases de hielo que se cree que existen más allá de los límites de la Tierra. Sus hallazgos cuestionan las teorías aceptadas y podrían conducir a una mejor comprensión del hielo que se encuentra en otros planetas, lunas y en otras partes del espacio.

A través de un experimento diseñado para crear un estado de agua súper frío, los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía utilizaron la dispersión de neutrones para descubrir un camino hacia la inesperada formación de densas y cristalinas fases de hielo que se cree que existen más allá de los límites de la Tierra.

La observación de estas fases particulares de hielo cristalino, conocidas como hielo IX, hielo XV y hielo VIII, cuestionan las teorías aceptadas sobre el agua superenfriada y el hielo amorfo o no cristalino. Los hallazgos de los investigadores, publicados en la revista Nature, también conducirán a una mejor comprensión básica del hielo y sus diversas fases encontradas en otros planetas y lunas y en otras partes del espacio.

«El hidrógeno y el oxígeno se encuentran entre los elementos más abundantes del universo, y el compuesto molecular más simple de los dos, el H2O, es común», dijo Chris Tulk, científico responsable de la dispersión de neutrones en el ORNL y autor principal. «De hecho, una teoría popular sugiere que la mayor parte del agua de la Tierra se trajo aquí a través de colisiones con cometas helados».

En la Tierra, cuando las moléculas de agua alcanzan los cero grados centígrados, entran en un estado de menor energía y se asientan en una red cristalina hexagonal. Esta forma congelada se denomina hielo Ih, la fase más común del agua que se puede encontrar en los congeladores domésticos o en las pistas de patinaje.

El hielo IX, el hielo XV y el hielo VIII son tres de al menos 17 fases de hielo que se realizan cuando las moléculas se reorganizan en una estructura cristalina estable a temperaturas muy bajas variables y presiones muy altas, condiciones que no ocurren naturalmente en la Tierra.

«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», dijo Tulk.

Cada fase de hielo conocida se caracteriza por su estructura cristalina única dentro de su rango de estabilidad de presión-temperatura, donde las moléculas alcanzan el equilibrio y las moléculas de agua exhiben un patrón tridimensional regular, y la estructura se vuelve estable.

Inicialmente, Tulk y sus colegas del Consejo Nacional de Investigación de Canadá y de la Universidad de California en Los Ángeles estaban explorando la naturaleza estructural del hielo amorfo, un estado de hielo que se forma sin una estructura cristalina ordenada, ya que se recristaliza aún más. presiones

Para hacer hielo amorfo, los científicos congelan el agua en un dispositivo de alta presión que se enfría a menos 173 grados Celsius y se presuriza a aproximadamente 10,000 atmósferas, o 147,000 libras por pulgada cuadrada (los neumáticos de los autos se inflan a aproximadamente 32 libras por pulgada cuadrada).

«Se cree que este tipo de hielo amorfo está relacionado con el agua líquida, y comprender que ese vínculo fue el propósito original de este estudio», dijo Tulk.

En la Fuente de Neutrones de Espalación de ORNL, el equipo congeló una esfera de tres milímetros, o aproximadamente media gota, de agua deuterada, que tiene un neutrón adicional en el núcleo de hidrógeno necesario para el análisis de dispersión de neutrones. 

Luego, programaron los difractómetros de presión y los neutros de presión, o SNAP, a menos 173 grados C. El instrumento aumentó la presión gradualmente cada par de horas hasta 411,000 libras por pulgada cuadrada, o aproximadamente 28,000 atmósferas mientras recolectaba datos de dispersión de neutrones entre cada caminata en presion

«Una vez que conseguimos el hielo amorfo, planeamos elevar la temperatura y la presión y observar el ordenamiento molecular local cuando el hielo amorfo se ‘funde’ en un líquido superenfriado y luego se recristaliza», dijo Tulk. Sin embargo, después de analizar los datos, se sorprendieron al saber que no habían creado hielo amorfo, sino más bien una secuencia de transformaciones cristalinas a través de cuatro fases de hielo con una densidad cada vez mayor: del hielo Ih al hielo IX al hielo XV al hielo XIII. No hubo evidencia de hielo amorfo en absoluto.

«He hecho muchas de estas muestras siempre comprimiendo hielo a baja temperatura», dijo el coautor Dennis Klug del Consejo Nacional de Investigación de Canadá, el laboratorio que descubrió originalmente la amorfización del hielo provocada por la presión en 1984. «I ‘ Nunca había visto este camino de presión-temperatura como resultado de una serie de formas cristalinas como esta».

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

Al principio, el equipo pensó que su observación era el resultado de una muestra contaminada.

Tres experimentos más con muestras nuevas y cuidadosamente manipuladas en SNAP produjeron resultados idénticos, reconfirmando la secuencia de transformación estructural sin formación de hielo amorfo.

La clave fue la lenta tasa de aumento de la presión y la recopilación de datos a una presión más baja que permitió que la estructura del hielo se relajara y se convirtiera en la forma estable del hielo IX. Los experimentos anteriores pasaron rápidamente sobre la estructura del hielo IX sin relajación, lo que resultó en la fase amorfa.

Durante 35 años, los científicos han estado investigando las propiedades del agua súper fría y buscando lo que se conoce como el segundo punto crítico, que está enterrado dentro de las fases de hielo sólido. Pero estos resultados cuestionan su propia existencia. «La relación entre el hielo amorfo inducido por la presión y el agua ahora está en duda, y el segundo punto crítico puede que ni siquiera exista», dijo Tulk.

«Los resultados de este documento formarán la base del análisis de futuros estudios de fases de hielo amorfo durante los próximos experimentos realizados en el SNS», agregó.

Mayo información: Chris A. Tulk, Jamie J. Molaison, Adam R. Makhluf, et al. «Absence of amorphous forms when ice is compressed at low temperature». Nature, Published: 22 May 2019.

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