Ilustración que muestra la relación entre las celdas unitarias de hielo VI y XIX vistas desde sus ejes c, y las diferencias en sus patrones de difracción, con código de color rojo para hielo XIX y azul para hielo VI. Crédito:Uni Innsbruck
Hace tres años, Los químicos de la Universidad de Innsbruck encontraron evidencia de la existencia de una nueva variedad de hielo. Hasta entonces, Se conocían 18 tipos de hielo cristalino. El equipo dirigido por Thomas Loerting ahora informa en Comunicaciones de la naturaleza sobre la elucidación de la estructura cristalina del hielo XIX mediante difracción de neutrones.
El hielo es un material versátil. En copos de nieve o cubitos de hielo, los átomos de oxígeno están dispuestos hexagonalmente. Esta forma de hielo se llama hielo uno (hielo I). "Estrictamente hablando, sin embargo, estos no son cristales perfectos, pero sistemas desordenados en los que las moléculas de agua están orientadas aleatoriamente en diferentes direcciones espaciales, "explica Thomas Loerting del Instituto de Química Física de la Universidad de Innsbruck, Austria. Incluyendo hielo yo, Hasta ahora se conocían 18 formas cristalinas de hielo, que difieren en la disposición de sus átomos. Los diferentes tipos de hielo, conocidos como polimorfos, se forman en función de la presión y la temperatura y tienen propiedades muy diferentes. Por ejemplo, sus puntos de fusión difieren en varios cientos de grados Celsius. "Es comparable al diamante y al grafito, ambos hechos de carbono puro, "explica el químico.
Variedad helada
Cuando el hielo convencional I se enfría fuertemente, los átomos de hidrógeno pueden organizarse periódicamente además de los átomos de oxígeno si el experimento se realiza correctamente. Por debajo de menos 200 grados Celsius, esto puede conducir a la formación del llamado hielo XI, en el que todas las moléculas de agua se ordenan de acuerdo con un patrón específico. Tales formas ordenadas de hielo difieren de las formas parentales desordenadas, especialmente en sus propiedades eléctricas. En el trabajo actual, los químicos de Innsbruck se ocupan de la forma parental ice VI, que se forma a alta presión, por ejemplo en el manto de la Tierra. Como hielo hexagonal esta forma de hielo a alta presión no es un cristal completamente ordenado.
Hace más de 10 años, investigadores de la Universidad de Innsbruck produjeron una variante ordenada por hidrógeno de este hielo, que encontró su camino en los libros de texto como ice XV. Al cambiar el proceso de fabricación, Hace tres años, el equipo de Thomas Loerting logró por primera vez crear una segunda forma ordenada para Ice VI. Para hacer esto, los científicos ralentizaron significativamente el proceso de enfriamiento y aumentaron la presión a alrededor de 20 kbar. Esto les permitió disponer los átomos de hidrógeno de una segunda forma en la red de oxígeno y producir el hielo XIX. "Encontramos evidencia clara en ese momento de que es una nueva variante ordenada, pero no pudimos dilucidar la estructura cristalina ”. Ahora su equipo ha logrado hacer precisamente eso utilizando el estándar de oro para la determinación de la estructura:la difracción de neutrones.
Modelo de hielo VI, las grandes esferas rojas y azules representan átomos de oxígeno, las pequeñas esferas de átomos de hidrógeno. Crédito:Uni Innsbruck
Estructura cristalina resuelta
Para la clarificación de la estructura cristalina, había que superar un obstáculo técnico fundamental. En una investigación que utiliza difracción de neutrones, es necesario reemplazar el hidrógeno ligero en agua con deuterio ("hidrógeno pesado").
"Desafortunadamente, esto también cambia las escalas de tiempo para realizar pedidos en el proceso de fabricación de hielo, "dice Loerting." Pero Ph.D. El estudiante Tobias Gasser tuvo entonces la idea crucial de agregar un pequeño porcentaje de agua normal al agua pesada, lo que resultó en acelerar enormemente el pedido ". Con el hielo obtenido de esta manera, Los científicos de Innsbruck finalmente pudieron medir los datos de neutrones en el instrumento HRPD de alta resolución en el Laboratorio Rutherford Appleton en Inglaterra y resolvieron minuciosamente la estructura cristalina del hielo XIX. Esto requirió encontrar la mejor estructura cristalina entre varios miles de candidatos a partir de los datos medidos, muy parecido a buscar una aguja en un pajar. Un grupo de investigación japonés confirmó el resultado de Innsbruck en otro experimento bajo diferentes condiciones de presión. Ambos artículos se han publicado ahora conjuntamente en Comunicaciones de la naturaleza .
Rastreando las propiedades del hielo y la nieve:químico Thomas Loerting. Crédito:Uni Innsbruck
Seis formas de hielo descubiertas en Innsbruck
Si bien el hielo y la nieve convencionales abundan en la Tierra, no se encuentran otras formas en la superficie de nuestro planeta, excepto en los laboratorios de investigación. Sin embargo, las formas de alta presión hielo VI y hielo VII se encuentran como inclusiones en diamantes y, por lo tanto, han sido agregadas a la lista de minerales por la Asociación Mineralógica Internacional (IMA). Muchas variedades de hielo de agua se forman en la inmensidad del espacio bajo condiciones especiales de presión y temperatura. Se encuentran, por ejemplo, en cuerpos celestes como la luna de Júpiter, Ganímedes, que está cubierto por capas de diferentes variedades de hielo.
Ice XV y Ice XIX representan el primer par de hermanos en la física del hielo en el que la red de oxígeno es la misma, pero el patrón de ordenamiento de los átomos de hidrógeno es diferente. Esto también significa que, por primera vez, ahora será posible realizar la transición entre dos formas de hielo ordenadas en experimentos, "Thomas Loerting se complace en informar. Desde la década de 1980, investigadores de la Universidad de Innsbruck, Austria, ahora son responsables del descubrimiento de cuatro formas de hielo cristalinas y dos amorfas.
El trabajo de investigación actual se llevó a cabo en el marco de la Plataforma de Investigación de Materiales y Nanociencia de la Universidad de Innsbruck y contó con el apoyo financiero del Fondo Austriaco de Ciencias FWF.
