El agua es vital para la vida en la Tierra y su importancia simplemente no se puede exagerar; también está profundamente arraigado en nuestra conciencia de que hay algo extremadamente especial en ella. Todavía, desde un punto de vista científico, Mucho se desconoce sobre el agua y sus muchas fases sólidas, que muestran una plétora de propiedades inusuales y las llamadas anomalías que, si bien es fundamental para la importancia química y biológica del agua, a menudo se consideran controvertidos.

Esto inspiró a los investigadores del University College London y la Universidad de Oxford a buscar una mejor comprensión del agua y el hielo como materiales. que tiene un impacto de gran alcance en muchas áreas de investigación. En un artículo en La Revista de Física Química , informan de su trabajo sobre el ordenamiento del hidrógeno de la fase desordenada del hielo VI en relación con su homólogo ordenado, el hielo XV.

"Siempre que el agua líquida se congele, solo sus átomos de oxígeno terminan realmente en posiciones fijas, "explicó Christoph G. Salzmann, profesor asociado y becario de investigación de la Royal Society, Departamento de Química, University College de Londres. “Los átomos de hidrógeno permanecen desordenados, por lo que llamamos a esas fases del hielo 'hidrógeno desordenado'. Al enfriarse, Se espera que los átomos de hidrógeno se ordenen y den lugar a hielos ordenados por hidrógeno. Todavía, este proceso es difícil porque las reorientaciones de las moléculas de agua con enlaces de hidrógeno son muy cooperativas ".

Para ayudar a explicar el concepto, usó un juego de fichas como analogía.

"Pasar del desorden al orden es un trabajo difícil porque las baldosas no se pueden mover de forma independiente, similar a la situación en el hielo, ", dijo." Pero, Hace unos pocos años, descubrimos que agregar una pequeña cantidad de ácido clorhídrico ayuda dramáticamente a lograr el orden del hidrógeno a bajas temperaturas ".

El ácido clorhídrico es el "ingrediente mágico" que acelera la reorientación de las moléculas de agua.

Ice VI y Ice XV son fases de hielo de alta presión que se forman aproximadamente a los 10, 000 atmósferas. "La estructura de Ice XV ha sido tema de animadas discusiones científicas durante años, "Dijo Salzmann." Una variedad de diferentes y, en parte, Se han sugerido modelos contradictorios a partir de datos experimentales, incluido un estudio anterior de nuestro grupo, así como de estudios computacionales ".

Por este trabajo, los investigadores recurrieron a la difracción de neutrones para analizar la estructura del hielo XV y su formación a partir del hielo VI. "El uso de neutrones es importante porque los rayos X son esencialmente 'ciegos' hacia los átomos de hidrógeno, "Dijo Salzmann." Para resolver completamente la estructura del hielo XV, realmente necesitamos saber dónde se encuentran los átomos de hidrógeno; los neutrones son esenciales ".

El trabajo del grupo representa un cambio importante en la comprensión de Ice XV que consolida gran parte de su trabajo anterior. "Primero, Hemos demostrado usando difracción de neutrones en el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología de ISIS en el Reino Unido que el hielo se contrae en dos direcciones, pero se expande en el tercero durante la transición del hielo VI al XV, ", explicó." Utilizando cálculos de la teoría funcional de la densidad, podemos mostrar que solo un modelo estructural particular de hielo XV es consistente con estos cambios ".

De paso, esta estructura es también la que propuso el grupo a partir de su análisis en profundidad de los datos de neutrones.

"Este acuerdo entre el experimento y los cálculos es excelente, en particular, porque ha habido puntos de vista contradictorios con respecto al hielo XV, ", agregó." El volumen total del hielo aumenta durante la transición de fase, lo que finalmente explica por qué la transición se observa más fácilmente a presión ambiental que a presiones más altas, comportamiento que nos ha desconcertado durante mucho tiempo ".

Otro punto clave, presentado en su artículo, es un nuevo programa informático llamado "RandomIce, "que ha producido la mejor descripción estructural del hielo XV hasta la fecha." Hemos presentado la preparación del hielo XV más ordenado hasta la fecha, pero no hemos logrado un estado completamente ordenado, "Dijo Salzmann.

RandomIce permite preparar modelos moleculares a gran escala, que el grupo llama "supercélulas". Estos son consistentes con la estructura promedio obtenida de los datos de difracción, y esencialmente RandomIce está "jugando" el juego de fichas descrito anteriormente hasta que se logre el mejor acuerdo con los datos de difracción. "Para hacer esto, fueron necesarios más de 100 millones de 'movimientos de baldosas', "Señaló Salzmann.

El trabajo del grupo abre la puerta al desarrollo de modelos informáticos del agua más precisos que pueden beneficiar a una amplia gama de disciplinas, desde la biología y la química hasta la geología y las ciencias atmosféricas.

Más lejos, ahora es posible "aclarar en qué forma se espera que se produzca el hielo bajo ciertas condiciones de presión y temperatura dentro de lunas y planetas helados, "Dijo Salzmann.

¿Qué sigue para los investigadores?

"Todavía hay una pregunta abierta sobre por qué no podemos lograr un orden completo en Ice XV, ", Dijo Salzmann." Ya hemos comenzado un nuevo trabajo experimental para explorar cómo cambian las propiedades del hielo dentro de los nanoconfinamientos y la presencia de especies químicas, porque estamos interesados ​​en comprender el comportamiento complejo del hielo en los cometas y dentro de nuestra atmósfera ".