Descubren una nueva fase del hielo bajo condiciones extremas de presión

El Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS), bajo la dirección del presidente Lee Ho Seong, logró la primera observación del agua congelándose y fundiéndose repetidamente a presiones ultraltas superiores a 2 gigapascales (2 GPa) mientras se mantenía a temperatura ambiente. Estos cambios rápidos fueron registrados en un intervalo de tiempo de microsegundos (µs, un millonésimo de segundo).

Este logro condujo a la identificación de un nuevo camino de cristalización para el agua y al descubrimiento de una fase de hielo previamente desconocida. La estructura recién reconocida fue nombrada Ice XXI, convirtiéndose en la 21ª forma cristalina de hielo.

Cómo la alta presión crea nuevas formas de hielo

El agua generalmente se convierte en hielo cuando su temperatura desciende por debajo de 0 °C, pero la presión también puede inducir la cristalización. En condiciones de presión adecuadas, el hielo puede formarse a temperatura ambiente o incluso a temperaturas superiores a su punto de ebullición habitual. Por ejemplo, el agua comprimida más allá de 0.96 GPa a temperatura ambiente se transforma en Ice VI.

Durante el proceso de congelación, la red de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua se distorsiona y reorganiza de maneras complejas. Estos cambios producen una amplia gama de estructuras de hielo dependiendo de la presión y temperatura circundantes.

Una comprensión más detallada de cómo ocurren estos rearrangements moleculares y la capacidad de controlarlos en condiciones extremas podría allanar el camino para la creación de nuevos materiales que no existen naturalmente en la Tierra.

Un siglo de investigación sobre el hielo alcanza un nuevo hito

En los últimos 100 años, los científicos han identificado 20 fases cristalinas distintas de hielo ajustando la presión y la temperatura. Estas fases aparecen en un rango masivo de más de 2,000 K en temperatura y más de 100 GPa en presión. La zona entre la presión ambiental (0 GPa) y 2 GPa se considera una de las regiones más complejas del diagrama de fases del agua, donde más de diez fases de hielo se agrupan.

El Space Metrology Group de KRISS logró crear un estado líquido supercomprimido en el que el agua permaneció líquida a temperatura ambiente a pesar de estar presionada a más de 2 GPa, lo que es más del doble de la presión normalmente requerida para la cristalización. Esto fue posible gracias a un dynamic diamond anvil cell (dDAC), un instrumento de alta presión desarrollado en KRISS.

Los diamond anvil cells convencionales aumentan la presión al apretar tornillos, un proceso que a menudo introduce gradientes de presión y perturbaciones mecánicas que provocan nucleación prematura. El dDAC de KRISS minimiza estos problemas al reducir el choque mecánico y acortar el tiempo de compresión de decenas de segundos a solo 10 milisegundos (ms). Esto permitió que el agua se empujara profundamente en el rango de presión de Ice VI mientras permanecía líquida.

Capturando el nacimiento de una nueva fase de hielo

En colaboración con socios internacionales, los científicos de KRISS utilizaron el dDAC junto con el European XFEL (la instalación de láser de electrones libres más grande del mundo) para monitorear la cristalización del agua supercomprimida con precisión de microsegundos. Estas observaciones revelaron caminos de cristalización complejos y previamente no vistos a temperatura ambiente. Las transiciones ocurrieron a través de una nueva fase de hielo, Ice XXI, marcando la primera identificación global de la 21ª forma cristalina de hielo.

Los investigadores también determinaron la estructura detallada de Ice XXI y mapearon los diversos caminos que conducen a su formación. Ice XXI muestra una celda unitaria inusualmente grande e intrincada en comparación con otras fases conocidas. La geometría del cristal es una red rectangular aplanada en la que los dos bordes base son idénticos en longitud.

Una gran colaboración internacional

Este descubrimiento involucró a 33 investigadores de Corea del Sur, Alemania, Japón, Estados Unidos y Inglaterra, junto con científicos del European XFEL y DESY. El proyecto fue propuesto y liderado por KRISS bajo la dirección del Dr. Lee Geun Woo, quien actuó como investigador principal.

El equipo de KRISS incluyó al Dr. Kim Jin Kyun (co-primer autor, investigador postdoctoral en KRISS), al Dr. Kim Yong-Jae (co-primer autor, ex investigador postdoctoral en KRISS y ahora en el Lawrence Livermore National Laboratory), al Dr. Lee Yun-Hee (co-primer autor, científico principal), al Dr. Kim Minju (coautor, investigador postdoctoral), al Dr. Cho Yong Chan (coautor, científico principal) y al Dr. Lee Geun Woo (autor correspondiente, científico principal). Ellos lideraron el diseño experimental, la recolección de datos y el análisis estructural que permitió la primera identificación de Ice XXI. Su trabajo representa un avance importante para la física de alta presión y la ciencia planetaria.

El Dr. Lee Yun-Hee comentó: "La densidad de Ice XXI es comparable a las capas de hielo de alta presión dentro de las lunas heladas de Júpiter y Saturno. Este descubrimiento puede proporcionar nuevas pistas para explorar los orígenes de la vida en condiciones extremas en el espacio."

El Dr. Lee Geun Woo añadió: "Al combinar nuestra tecnología dDAC desarrollada internamente con el XFEL, pudimos capturar momentos fugaces que habían sido inaccesibles con instrumentos convencionales. La investigación continua sobre presiones ultraltas y otros entornos extremos abrirá nuevas fronteras en la ciencia."

Notas

* Anteriormente, se habían reportado fases de hielo desde Ice I hasta Ice XX. Ice I aparece en dos formas estructurales: el hexagonal Ice Ih y el cúbico Ice Ic.

** El dDAC es un dispositivo de alta presión que utiliza un par de diamantes y actuadores piezoeléctricos para controlar y observar dinámicamente los cambios de presión en una muestra microscópica de agua.

Esta investigación fue apoyada por el proyecto de desarrollo de materiales y tecnologías de medición de alta temperatura de motores de cohetes de clase 4000 K del National Research Council of Science & Technology (NST). Los resultados fueron publicados en Nature Materials (Factor de Impacto: 38.5) en octubre.

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