El Instituto de Investigación de Estándares y Ciencias de Corea (KRISS, presidente Lee Ho Seong) capturó la primera observación de congelación y derretimiento repetidos de agua a presiones muy altas por encima de 2 gigapascales (2 GPa) a temperatura ambiente. Estos rápidos cambios se registraron en una escala de tiempo de microsegundos (μs, una millonésima de segundo).
Este logro condujo a la identificación de una vía de cristalización del agua completamente nueva y al descubrimiento de una fase de hielo previamente desconocida. La estructura recientemente reconocida ha sido denominada Hielo XXI, lo que la convierte en la vigésima primera forma cristalina de hielo.
Cómo la alta presión crea nuevas formas de hielo
El agua normalmente se congela cuando su temperatura cae por debajo de 0 °C, pero la presión también puede impulsar la cristalización. En las condiciones de presión adecuadas, se puede formar hielo a temperatura ambiente o incluso por encima de su punto de ebullición normal. Por ejemplo, el agua comprimida por encima de 0,96 GPa a temperatura ambiente se transforma en hielo VI.
Durante la congelación, la red de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua se distorsiona y reorganiza de maneras complejas. Estos cambios crean elaboradas estructuras de hielo dependiendo de la presión y temperatura circundantes.
Una comprensión más detallada de cómo se producen estos reordenamientos moleculares y la capacidad de controlarlos en condiciones extremas podría allanar el camino para la creación de materiales completamente nuevos que no existen naturalmente en la Tierra.
Un siglo de investigación sobre el hielo ha alcanzado un nuevo hito
Durante los últimos 100 años, los científicos han identificado 20 fases distintas del hielo cristalino ajustando la presión y la temperatura. Estas fases aparecen en un amplio rango de temperaturas superiores a 2000 K y presiones superiores a 100 GPa. La región entre la presión ambiental (0 GPa) y 2 GPa se considera una de las regiones más complejas del diagrama de fases del agua, donde coexisten más de diez fases diferentes del hielo.
El grupo de metrología espacial de KRISS ha conseguido crear un estado líquido supercomprimido en el que el agua permanece líquida a temperatura ambiente a pesar de presiones superiores a 2 GPa, el doble de la presión normalmente necesaria para la cristalización. Esto es posible gracias a una celda dinámica de yunque de diamante (dDAC**), un dispositivo de alta presión desarrollado en KRISS.
Las células de yunque de diamante (DAC) convencionales aumentan la presión al apretar los pernos, un proceso que a menudo provoca gradientes de presión y perturbaciones mecánicas que desencadenan la nucleación prematura. El KRISS dDAC minimiza estos problemas al reducir el impacto mecánico y reducir el tiempo de compresión de decenas de segundos a solo 10 milisegundos (ms). Esto permite que el agua penetre profundamente en el rango de presión Ice VI mientras permanece líquida.
Capturando el nacimiento de una nueva edad de hielo
En colaboración con socios internacionales, los científicos de KRISS utilizaron dDAC con el XFEL europeo (la instalación de láser de electrones libres de rayos X más grande del mundo) para monitorear la cristalización de agua supercomprimida con una precisión de microsegundos. Estas observaciones revelaron vías de cristalización complejas, nunca antes vistas, a temperatura ambiente. Los cambios se produjeron con un nuevo episodio de hielo, Ice XXI, que marca la primera detección global de la 21ª forma cristalina de hielo.
Los investigadores también determinaron la estructura detallada de Ice XXI y mapearon las diversas vías que conducen a su formación. Ice XXI muestra una celda unitaria inusualmente grande y compleja en comparación con otras fases conocidas. La geometría del cristal es una red rectangular aplanada con dos bordes basales de longitud idéntica.
Una gran colaboración internacional
En el descubrimiento participaron 33 investigadores de Corea del Sur, Alemania, Japón, Estados Unidos e Inglaterra, además de científicos de los europeos XFEL y DESY. El proyecto fue propuesto y dirigido por KRISS bajo la dirección del Dr. Lee Geun Woo, quien se desempeñó como investigador principal (PI).
El equipo de KRISS incluye al Dr. Kim Jin-kyun (coprimer autor, investigador postdoctoral en KRISS), el Dr. Kim Yong-jae (coprimer autor, ex investigador postdoctoral en KRISS y actualmente en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore), los Dres. Lee Eun-hee (coprimer autor, director Kim-jeo) lo fue. Investigador postdoctoral), Dr. Cho Yong Chan (coautor, investigador científico principal) y Dr. Lee Jeon Woo (autor correspondiente, investigador científico principal). Dirigieron el diseño experimental, la recopilación de datos y el análisis estructural que permitieron la primera detección de Ice XXI. Su trabajo representa un gran avance para la física de alta presión y la ciencia planetaria.
“La densidad del Hielo 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”, dijo el Dr. Lee Yun-hee.
El Dr. Lee Jeun Woo añadió: “Al combinar nuestra tecnología dDAC desarrollada internamente con XFEL, pudimos capturar momentos fugaces que eran inalcanzables con instrumentos convencionales. La investigación continua en entornos de presión ultra alta y otros entornos extremos abrirá nuevas fronteras en la ciencia”.
Nota
*Anteriormente se reportaban fases del hielo desde Hielo I hasta Hielo XX. El hielo I se presenta en dos formas estructurales: hielo hexagonal Ih y hielo cúbico Ic.
** El dDAC es un dispositivo de alta presión que utiliza un par de actuadores piezoeléctricos y de diamante para controlar y monitorear dinámicamente los cambios de presión en una muestra microscópica de agua.
Esta investigación fue apoyada por el proyecto de desarrollo de tecnologías de medición y materiales de temperatura ultraalta del motor cohete clase 4000 K del Consejo Nacional de Investigación de Ciencia y Tecnología (NST). Se publican los resultados Materiales de la naturaleza (Factor de Impacto: 38,5) en octubre.
