Observan un extraño estado del agua que contradice las teorías
Investigadores han descubierto nuevas fases de cristales. Sugieren que las teorías que explican la naturaleza del hielo a muy bajas temperaturas y presiones muy altas deben ser revisadas.
Jill Hemman / Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy
Científicos han logrado crear una extraña fase de hielo de agua que no puede existir en condiciones naturales en la Tierra y que contradice las teorías que explican la formación de hielo a muy bajas temperaturas y muy altas presiones. Estas observaciones se acaban de publicar en Nature.
Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge y de la Universidad de California en Los Ángeles, en Estados Unidos, así como del Consejo Nacional de Investigación de Canadá, usaron una técnica de dispersión de neutrones para detectar cristales de alta densidad, que se llaman «hielo IX», «hielo XV» y «hielo VIII», y que se crearon bajo condiciones de bajas temperaturas y elevadas presiones. Lo relevante es que la existencia de estas fases contradice las teorías que predicen la formación de agua súper-enfriada y de hielo amorfo y no cristalino.
«El hidrógeno y el oxígeno están entre los elementos más abundantes en el Universo, y la molécula compuesta por ambos más sencilla, el agua, es muy común», ha dicho en un comunicado Chris Tulk, director de la investigación. «De hecho, una importante teoría dice que el agua llegó a la Tierra gracias a la colisión de cometas helados».
El hielo imposible en la Tierra
Esta teoría sugiere que, gracias al bombardeo de cometas, la Tierra comenzó a acumular océanos de agua. En aquellos lugares con bajas temperaturas, se formó hielo. La presión y las condiciones de nuestro planeta llevan a que se forme a partir de unidades cristalinas hexagonales (conocidas como «hielo Ih») que, por ejemplo, pueden unirse entre sí para formar copos de nieve.
Pero en otros lugares, fuera de la Tierra, las temperaturas y las presiones permiten que se formen hasta 17 tipos de cristales con propiedades totalmente diferentes.
Cada una de estas fases se caracteriza por tener una estructura cristalina única, que es estable en un rango concreto de temperaturas y presiones, y por poder evolucionar hacia otras fases, al igual que el agua cambia de estado al cambiar la temperatura.
En esta ocasión, los científicos quisieron explorar la naturaleza de la estructura del hielo amorfo, que es aquel que carece de estructuras cristalinas y que se forman a presiones más altas.
Una presión de 28.000 atmósferas
Para ello, enfriaron una pequeña esfera de agua, de tres milímetros de diámetro, hasta una temperatura de -173ºC. Además, la sometieron a una presión de 10.000 atmósferas. En vez de usar agua convencional, usaron agua deuterizada, en la que los átomos de hidrógeno tienen un neutrón extra. Su finalidad era averiguar si, como se cree, este hielo está relacionado con el agua líquida.
Usaron estos neutrones para analizarlos con un detector, el «Spallation Neutron Source», y fueron aumentando la presión hasta alcanzar las 28.000 atmósferas. El patrón de dispersión de los neutrones emitidos por el agua les permitió estudiar las minúsculas estructuras de los cristales.
Al fina de este proceso de compresión, esperaban poder observar cómo el hielo amorfo se convertía en líquido super-enfriado antes de recristalizar. Sin embargo, en vez de eso, averiguaron que habían creado una secuencia de fases de hielo cada vez más densas, de nombre «hielo IX», «hielo XV» y «hielo VIII». Pero en ningún momento crearon el hielo amorfo, tal como esperaban.
Resultados inesperados
«He trabajado muchas veces con muestras comprimiendo el hielo a bajas temperaturas», ha dicho Dennis Klug, coautor del estudio. De hecho, su laboratorio lo logró por primera vez en 1984. Sin embargo: «Nunca había visto (…) algo como esto».
En un principio, de hecho, pensaron que sus resultados eran fruto de una muestra contaminada. Pero al repetir los experimentos, obtuvieron los mismos resultados. Así averiguaron que la única diferencia en comparación con trabajos previos, en los que no se obtuvo fue aumentar la presión del agua de forma más paulatina.
«Si los resultados de nuestro experimento fueran ciertos, significaría que el hielo amorfo no está relacionado con el agua líquida, sino que es producto de una transformación interrumpida entre dos fases cristalinas, lo que es una gran modificación de una teoría ampliamente aceptada», ha dicho Klug.
¿Qué quiere decir esto? Que, desde hace 35 años, los científicos han investigado las propiedades del agua súper-enfriada en busca del llamado segundo punto crítico, un punto de equilibrio cuya existencia dependía de ese estado amorfo del hielo de agua. Pero estas conclusiones sugieren que este punto crítico podría no existir.
