Nuevo hielo amorfo para desvelar secretos del agua en el universo

El agua, el componente principal de nuestro cuerpo y esencial para la vida en la Tierra, se puede presentar en estado sólido, líquido o gaseoso. Cuando está congelada puede adoptar multitud de formas: se conocen 20 fases cristalinas, donde las moléculas de H20 se disponen regularmente en un entramado hexagonal, y al menos dos familias de hielos amorfos, sin esa estructura cristalina tan ordenada. En nuestro planeta casi toda el agua congelada que conocemos está en forma cristalina, pero a escala del universo se piensa que la amorfa es la más común.

En general, los hielos amorfos se dividen en grupos: los de baja densidad (0,94 gramos/cm3) y los de alta densidad (1,13 g/cm3 o más). Sin embargo, ni estos ni los cristalinos presentan una forma con una densidad media cercana a la del agua líquida (1 g/cm3), al menos hasta ahora. Esta brecha de densidad constituye una piedra angular de nuestra comprensión actual del agua.

Pero investigadores del University College de Londres (UCL) acaban de demostrar que se puede moler el hielo común a casi –200 °C hasta producir un hielo amorfo de densidad media (MDA, por sus siglas en inglés) con una densidad de 1,06 g/cm3, es decir, muy próxima a la del agua líquida. El estudio lo publican en la revista 'Science'.

Según los autores, este hallazgo sugiere que el agua es más compleja a bajas temperaturas de lo que se creía, lo que tiene implicaciones no solo para entender mejor esta sustancia y sus curiosas e inexplicables anomalías (en estado sólido no se hunde, alto calor específico, buena conductividad...), sino también cómo existe y funciona el agua en el universo.

Un gélido molino de bolas

Para crear esta forma de hielo amorfa hasta ahora desconocida, el equipo ha utilizado el método de la molienda con bolas a bajas temperaturas, un proceso que consiste en agitar enérgicamente un recipiente criogénicamente refrigerado lleno de agua congelada picada y bolas de acero. Se suele utilizar para crear otros materiales amorfos, como aleaciones metálicas y compuestos inorgánicos, pero no se había aplicado antes al hielo.

"En cuanto se empieza a agitar el hielo con el rodamiento de bolas, el MDA comienza a formarse, pero para obtener una buena conversión, agitamos durante aproximadamente un día", explica a SINC uno de los autores, Christoph Salzmann. "Después –añade– la muestra se vuelve a poner en un contenedor con nitrógeno líquido a –200 °C. A esa temperatura, duraría para siempre. Solo al calentarlo se observa la transición de nuevo al hielo normal".

Simulaciones computacionales

Mediante diversas técnicas experimentales y simulaciones computacionales (incluyendo un 'cizallamiento' aleatorio, como los cortes que daría una cizalla), los investigadores han podido evaluar y caracterizar la naturaleza de esta nueva forma de hielo, revelando su estructura diferenciada y sus propiedades mecánicas únicas.

Según los autores, descubrir este hielo amorfo de densidad media plantea ahora interesantes interrogantes. Uno clave es saber si solo se trata de un estado cristalino muy molido o ‘cizallado’ o bien si podría representar el verdadero estado vítreo del agua líquida.

"La densidad del MDA y del agua líquida son muy similares. La gran pregunta es si son la misma cosa", apunta Salzmann, quien adelanta los próximos pasos para averiguarlo: "las simulaciones por ordenador serán muy importantes en el futuro, y creo que necesitaremos microscopía electrónica de alta resolución para la parte experimental".

Sea cual sea la estructura exacta de este nuevo hielo amorfo, los autores piensan que desempeña un papel relevante en la geología del hielo a bajas temperaturas, por ejemplo, en las numerosas lunas heladas del sistema solar y más allá.

Proceso similar en gélidas lunas

"El hielo amorfo que existe en el universo es de baja densidad, se conoce desde hace 90 años y es la versión más abundante en el cosmos. Se forma cuando el agua se condensa en granos de polvo en el espacio", explica Salzmann, "pero este otro de media densidad, el MDA, podría existir en el interior de las lunas heladas, donde actúan fuerzas de 'cizallamiento' similares a las de la molienda de bolas".

Las fuerzas de marea que, por atracción gravitatoria, inducen los planetas gigantes gaseosos en estas gélidas lunas podrían causar ese proceso. Como resultado, en ciertas condiciones, se podría generar hielo de de densidad media a partir de otro tipo.

Incluso podría ocurrir el proceso contrarío, y al calentarse a determinadas presiones, se podría recristalizar el MDA liberando energía. Esta podría desempeñar un papel en la activación de los movimientos tectónicos.

"Creemos que eso puede ser relevante para la geofísica de las lunas heladas", aclara Salzmann, "sin embargo, para producir energía en la Tierra, las temperaturas serían sencillamente demasiado bajas, ya que la gran cantidad de calor se libera a –120 grados".

Referencia:

Alexander Rosu-Finsen, Christoph G. Salzmann et al. 'Medium-density amorphous ice'. 'Science', 2023