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    Observación inesperada de hielo a baja temperatura, la alta presión cuestiona la teoría del agua

    Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge que estudian los estados extremadamente fríos del agua descubrieron un camino hacia la formación inesperada de densos, fases cristalinas de hielo que se cree que existen más allá de los límites de la Tierra. Sus hallazgos, reportado en Nature, desafiar las teorías aceptadas y podría conducir a una mejor comprensión del hielo que se encuentra en otros planetas, lunas y otras partes del espacio. Crédito:Jill Hemman / Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.

    A través de un experimento diseñado para crear un estado súper frío del agua, Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía utilizaron la dispersión de neutrones para descubrir un camino hacia la formación inesperada de densos, fases cristalinas de hielo que se cree que existen más allá de los límites de la Tierra.

    Observación de estas fases cristalinas particulares del hielo, conocido como hielo IX, hielo XV y hielo VIII, desafía las teorías aceptadas sobre agua súper enfriada y amorfa, o no cristalino, hielo. Los hallazgos de los investigadores, reportado en la revista Naturaleza , También conducirá a una mejor comprensión básica del hielo y sus diversas fases que se encuentran en otros planetas y lunas y en otras partes del espacio.

    "El hidrógeno y el oxígeno se encuentran entre los elementos más abundantes del universo, y el compuesto molecular más simple de los dos, H 2 Oh Es común, "dijo Chris Tulk, Científico de dispersión de neutrones ORNL y autor principal. "De hecho, una teoría popular sugiere que la mayor parte del agua de la Tierra se trajo aquí a través de colisiones con cometas helados ".

    En la tierra, cuando las moléculas de agua alcanzan los cero grados Celsius, entran en un estado de menor energía y se asientan en una red cristalina hexagonal. Esta forma congelada se denota como hielo Ih, la fase más común del agua que se puede encontrar en los congeladores domésticos o en las pistas de patinaje.

    Hielo IX, Ice XV y Ice VIII son tres de al menos 17 fases de hielo que se obtienen cuando las moléculas se reorganizan en una estructura cristalina estable a diferentes temperaturas súper bajas y presiones muy altas. condiciones que no ocurren naturalmente en la Tierra.

    "A medida que el hielo cambia de fase, es similar al agua que pasa de un gas a un líquido a un sólido, excepto a bajas temperaturas y alta presión:el hielo se transforma entre varias formas sólidas diferentes, "Dijo Tulk.

    Cada fase de hielo conocida se caracteriza por su estructura cristalina única dentro de su rango de estabilidad de presión-temperatura, donde las moléculas alcanzan el equilibrio y las moléculas de agua exhiben un patrón tridimensional regular, y la estructura se vuelve estable.

    Inicialmente, Tulk y sus colegas del Consejo Nacional de Investigación de Canadá y de la Universidad de California en Los Ángeles estaban explorando la naturaleza estructural del hielo amorfo, un estado de hielo que se forma sin una estructura cristalina ordenada, ya que se recristaliza a presiones aún más altas.

    Para hacer hielo amorfo, Los científicos congelan agua en un dispositivo de alta presión que se enfría a menos 173 grados Celsius y se presuriza a aproximadamente 10, 000 atmósferas, o 147, 000 libras por pulgada cuadrada (los neumáticos de los automóviles están inflados a aproximadamente 32 libras por pulgada cuadrada).

    "Se cree que este tipo de hielo amorfo está relacionado con el agua líquida, y comprender que ese vínculo era el propósito original de este estudio, "dijo Tulk.

    Nuevas simulaciones sugieren que el carbono (C) unido de forma rutinaria con hierro (Fe), silicio (Si) y oxígeno (O) en las profundidades del océano de magma que cubría la Tierra cuando era joven. Esas moléculas pesadas eventualmente se habrían hundido hasta el núcleo del planeta, insinuando depósitos ocultos de carbono en el centro de nuestro planeta. Crédito:Natalia Solomatova / École Normale Supérieure de Lyon

    En la fuente de neutrones de espalación de ORNL, el equipo congeló una esfera de tres milímetros, o alrededor de media gota, de agua deuterada, que tiene un neutrón adicional en el núcleo de hidrógeno necesario para el análisis de dispersión de neutrones. Luego, programaron los neutrones de espalación y la presión, o SNAP, difractómetro a menos 173 grados C. El instrumento aumentó la presión gradualmente cada dos horas hasta 411, 000 libras por pulgada cuadrada, o alrededor de 28, 000 atmósferas mientras se recopilan datos de dispersión de neutrones entre cada aumento de presión.

    "Una vez que logramos el hielo amorfo, planeamos elevar la temperatura y la presión y observar el orden molecular local a medida que el hielo amorfo se 'derrite' en un líquido sobreenfriado y luego se recristaliza, "Dijo Tulk. Sin embargo, después de analizar los datos, se sorprendieron al saber que no habían creado hielo amorfo, sino más bien una secuencia de transformaciones cristalinas a través de cuatro fases de hielo con una densidad cada vez mayor:del hielo Ih al hielo IX al hielo XV al hielo XIII. No hubo evidencia de hielo amorfo en absoluto.

    "He hecho muchas de estas muestras siempre comprimiendo hielo a baja temperatura, "dijo el coautor Dennis Klug del Consejo Nacional de Investigación de Canadá, el laboratorio que descubrió originalmente la amorfización del hielo inducida por la presión en 1984. "Nunca antes había visto que esta trayectoria de presión-temperatura produjera una serie de formas cristalinas como esta".

    "Si los datos de nuestro experimento fueran ciertos, significaría que el hielo amorfo no está relacionado con el agua líquida, sino que es una transformación interrumpida entre dos fases cristalinas, una desviación importante de la teoría ampliamente aceptada, "Añadió Klug.

    En primer lugar, el equipo pensó que su observación era el resultado de una muestra contaminada.

    Tres experimentos más con un nuevo las muestras manipuladas cuidadosamente en SNAP produjeron resultados idénticos, reconfirmando la secuencia de transformación estructural sin formación de hielo amorfo.

    La clave fue la lenta tasa de aumento de presión y la recopilación de datos a una presión más baja que permitió que la estructura del hielo se relajara y se convirtiera en la forma estable del hielo IX. Los experimentos anteriores pasaron rápidamente sobre la estructura del hielo IX sin relajación, esto resultó en la fase amorfa.

    Durante 35 años, Los científicos han estado investigando las propiedades del agua súper fría y buscando lo que se conoce como el segundo punto crítico, que está enterrado dentro de las fases de hielo sólido. Pero estos resultados cuestionan su propia existencia. "La relación entre el hielo amorfo inducido por la presión y el agua está ahora en duda, y el segundo punto crítico puede que ni siquiera exista, "Dijo Tulk.

    "Los resultados de este artículo formarán la base del análisis de futuros estudios de las fases del hielo amorfo durante los próximos experimentos realizados en el SNS, "añadió.

    Coautores del estudio titulado, "Ausencia de formas amorfas cuando el hielo se comprime a baja temperatura, "incluyó a Chris A. Tulk y Jamie J. Molaison de ORNL; Adam Makhluf y Craig E. Manning de UCLA; y Dennis D. Klug de la NRC de Canadá.

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