A simple vista, el hielo parece un asunto resuelto, agua congelada y nada más. Sin embargo, en los laboratorios de alta presión del European XFEL, en Alemania, un equipo internacional de investigadores logró algo insólito, al crear hielo a temperatura ambiente sin necesidad de enfriarlo, "simplemente" comprimiendo agua entre dos diamantes.
El resultado fue el hielo XXI, la vigésimo primera forma conocida de este material aparentemente simple pero sorprendentemente complejo.
El hallazgo, publicado en la revista Nature Materials, amplía la comprensión de cómo puede formarse el hielo. En este caso, la clave no fue la temperatura sino la presión extrema, que alcanzó unos dos gigapascales, unas 20.000 veces la presión atmosférica normal, según detalla un comunicado de prensa del European XFEL.
Presión extrema entre diamantes
Para crear esta nueva fase, los científicos utilizaron una celda de yunque de diamante, un dispositivo que, según explica ZME Science, funciona como una prensa microscópica capaz de generar presiones equivalentes a las que existen en las profundidades de planetas y lunas.
El agua se colocó entre dos diamantes que, gracias a su extrema dureza, pudieron comprimir el líquido hasta niveles extraordinarios.
El procedimiento consistió en aplicar pulsos de presión de unos milisegundos seguidos por breves intervalos de liberación de un segundo, un proceso repetido más de un millar de veces para observar cómo respondía el agua.
Lo fascinante es que, a pesar de estar a temperatura ambiente, las moléculas de agua se agruparon brevemente en una estructura cristalina inédita y más compacta que el hielo habitual.
Láser de rayos X captura la transformación
Para capturar estos cambios fugaces, el equipo recurrió al European XFEL en Alemania, el láser de rayos X más grande del mundo, que funciona como una cámara de alta velocidad capaz de tomar imágenes cada microsegundo.
Esto permitió registrar la formación de la estructura cristalina en tiempo real mediante pulsos ultrarrápidos de rayos X.
"La compresión rápida del agua le permite permanecer en estado líquido hasta presiones más altas, donde ya debería haberse cristalizado en hielo VI", explicó en el comunicado Geun Woo Lee, investigador del Instituto Coreano de Investigación de Estándares y Ciencia (KRISS) que lideró el estudio.
Un camino oculto hacia el hielo VI
El hielo VI es otra fase exótica que se cree existe en el interior de lunas heladas como Titán y Ganímedes. Lo intrigante es que el hielo XXI parece ser una etapa intermedia en ese camino, un "desvío" temporal que Lee y sus colegas describen metafóricamente como un "camino oculto".
Esta fase metaestable existe solo durante unas decenas de microsegundos antes de transformarse en hielo VI.
Los experimentos posteriores en la fuente de fotones PETRA III confirmaron que el hielo XXI tiene una estructura cristalina tetragonal formada por bloques de 152 moléculas de agua, una disposición inédita entre las fases de hielo conocidas.
Implicaciones para las lunas heladas
Aunque el hielo XXI solo existe durante un instante en el laboratorio, su descubrimiento podría tener relevancia para comprender los procesos que ocurren en distintos rincones del sistema solar.
En las lunas lejanas, donde las presiones y temperaturas cambian de forma extrema, estas fases efímeras podrían ayudar a entender la dinámica interna de esos mundos helados, desde el movimiento de sus océanos subterráneos hasta la manera en que las tensiones se reparten en sus cortezas.
"Nuestros hallazgos sugieren que puede existir un mayor número de fases de hielo metaestables a alta temperatura y sus vías de transición asociadas, lo que podría ofrecer nuevos conocimientos sobre la composición de las lunas heladas", señaló Rachel Husband, física del equipo DESY HIBEF.
Se inaugura el láser europeo XFEL
En definitiva, el hallazgo ofrece una nueva mirada sobre las transiciones de fase del agua, ese material cotidiano cuyo comportamiento resulta mucho más inusual de lo que parece.
"Hay muchas preguntas sobre cómo un material tan simple puede dar lugar a tantas fases cristalinas diferentes", reflexionó Lee, según citó ZME Science. "Los investigadores quieren comprender los procesos detallados de la cristalización del agua en hielo".
Editado por Felipe Espinosa Wang con información del European XFEL, Nature Materials, ZME Science e Interesting Engineering.
