Crystallization of pristine cubic ice from liquid at ambient pressure
Este estudio demuestra que el hielo cúbico prístino (Ic) puede formarse reproduciblemente directamente desde el estado líquido a presión atmosférica mediante el enfriamiento de una solución acuosa formadora de hidratos confinada dentro de sílice mesoporosa, revelando que el nanoconfinamiento y los promotores de clatratos permiten una vía naturalmente accesible para este polimorfo previamente elusivo.
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El agua es una de las sustancias más familiares en la Tierra, pero esconde un secreto que ha desconcertado a los científicos durante décadas. Cuando el agua se congela, normalmente se convierte en un cristal con una forma específica y ordenada conocida como hielo hexagonal. Este es el hielo que vemos en los copos de nieve, los glaciares y nuestros congeladores. Sin embargo, las moléculas de agua también pueden organizarse en una forma diferente y más rara llamada hielo cúbico. Durante mucho tiempo, los científicos debatieron si esta forma cúbica podría aparecer alguna vez de forma natural a partir del agua líquida o si solo existía como una mezcla fugaz y desordenada de formas que rápidamente se convertía en el común tipo hexagonal. La cuestión era importante porque, si el hielo cúbico puro puede formarse fácilmente, podría ser mucho más común en la atmósfera y en el espacio profundo de lo que nadie imaginaba, cambiando potencialmente nuestra comprensión de los patrones climáticos y la composición de los cometas.
Un equipo de investigadores ha encontrado ahora una forma de hacer que este elusivo hielo cúbico aparezca directamente a partir de agua líquida a presión atmosféica normal, sin necesidad de frío extremo o alta presión. Lo hicieron atrapando una mezcla de agua y un producto químico orgánico específico dentro de diminutos agujeros similares a esponjas en un material llamado sílice. La sílice actúa como un contenedor con millones de túneles microscópicos, cada uno de unos 3,7 nanómetros de ancho. Dentro de estos túneles, los investigadores colocaron una mezcla líquida de agua y tetrahidrofurano, un producto químico que es conocido por ayudar a formar estructuras en forma de jaula con las moléculas de agua. Cuando enfriaron esta mezcla atrapada hasta los 150 Kelvin, el agua se congeló.
Los resultados fueron claros y reproducibles. Utilizando un instrumento potente que dispara neutrones a la muestra para ver cómo están dispuestos los átomos, los investigadores observaron que el agua se había convertido en hielo cúbico puro y prístino. Esta no era una mezcla desordenada de formas; era una estructura de cristal única y uniforme. El experimento demostró que esta transformación ocurría de manera fiable cuando el líquido llenaba entre 0,34 y 0,60 centímetros cúbicos de espacio por cada gramo de sílice. Crucialmente, los investigadores demostraron que el hielo cúbico se formaba solo debido a la combinación de los diminutos túneles y la presencia del tetrahidrofurano. Cuando realizaron experimentos de control utilizando agua pura o un producto químico diferente que no forma jaulas, el agua se congeló en la forma hexagonal común o en una mezcla desordenada, pero nunca en la forma cúbica pura.
El estudio también reveló qué sucede con las partes de la mezcla que no se congelan. Mientras que el agua en el centro de los túneles se convirtió en hielo cúbico, una fina capa del líquido cerca de las paredes de los túneles permaneció sin congelar, convirtiéndose en un estado vítreo y no cristalino. Esta capa vítrea contiene las moléculas de tetrahidrofurano, que parecen interactuar con la superficie de la sílice y evitar que el hielo se forme allí. Esta separación sugiere que las moléculas orgánicas desempeñan un papel directo en la guía de las moléculas de agua hacia la forma cúbica. Los investigadores midieron la temperatura a la que este hielo confinado se derrite y descubrieron que era de 230 Kelvin, lo cual es consistente con el comportamiento del hielo en espacios tan pequeños.
Este descubrimiento sugiere que el hielo cúbico no es solo una curiosidad de laboratorio, sino una forma estable de agua que puede existir bajo condiciones presentes en la naturaleza. La configuración utilizada en el experimento imita entornos donde el agua podría estar atrapada en diminutas partículas de polvo en la atmósfera o en los granos de hielo de los cometas. En estos lugares, las moléculas orgánicas y el polvo mineral suelen coexistir, creando las condiciones exactas que los investigadores utilizaron para cultivar el hielo. Los hallazgos desafían la idea de que el hielo en la atmósfera superior o en el espacio es mayoritariamente una mezcla desordenada de formas. En su lugar, sugieren que el hielo cúbico puro podría ser la forma principal en estos entornos, formado directamente a partir de agua líquida cuando están presentes los ingredientes adecuados. Al demostrar que este proceso funciona a presión normal y temperaturas relativamente altas para el hielo, el estudio abre un nuevo camino para comprender cómo se comporta el agua en los rincones más extremos y distantes de nuestro universo.
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