Los investigadores de Stanford capturaron por primera vez la congelación del agua, molécula por molécula, en un extraño forma densa llamada hielo VII ("hielo siete"), que se encuentran naturalmente en entornos de otro mundo, como cuando chocan los cuerpos planetarios helados.

Además de ayudar a los científicos a comprender mejor esos mundos remotos, los hallazgos, publicados en línea el 11 de julio en Cartas de revisión física - podría revelar cómo el agua y otras sustancias experimentan transiciones de líquidos a sólidos. Aprender a manipular esas transiciones podría abrir el camino algún día a materiales de ingeniería con nuevas propiedades exóticas.

"Estos experimentos con agua son los primeros de su tipo, permitiéndonos presenciar una transición fundamental de desorden a orden en una de las moléculas más abundantes del universo, "dijo la autora principal del estudio, Arianna Gleason, becario postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Los Alamos y científico visitante en el Laboratorio de Ambientes Extremos de la Escuela de la Tierra de Stanford, Ciencias energéticas y ambientales.

Los científicos han estudiado durante mucho tiempo cómo los materiales experimentan cambios de fase entre gas, estados líquido y sólido. Los cambios de fase pueden ocurrir rápidamente, sin embargo, y en la pequeña escala de meros átomos. Investigaciones anteriores han tenido problemas para capturar la acción momento a momento de las transiciones de fase, y en su lugar trabajó al revés a partir de sólidos estables para reconstruir los pasos moleculares dados por los líquidos predecesores.

"Ha habido una gran cantidad de estudios sobre el hielo porque todos quieren comprender su comportamiento, "dijo la autora principal del estudio, Wendy Mao, profesor asociado de ciencias geológicas e investigador principal del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES). "Lo que demuestra nuestro nuevo estudio, y que no se ha hecho antes, es la capacidad de ver cómo se forma la estructura del hielo en tiempo real ".

Atrapando hielo en el acto

Esas escalas de tiempo se volvieron alcanzables gracias a la fuente de luz coherente de Linac, el láser de rayos X más potente del mundo ubicado en el cercano Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC. Allí, el equipo científico sonrió intensamente láser de color verde en un pequeño objetivo que contiene una muestra de agua líquida. El láser vaporizó instantáneamente capas de diamante en un lado del objetivo, generar una fuerza similar a un cohete que comprimió el agua a presiones superiores a 50, 000 veces mayor que la atmósfera terrestre al nivel del mar.

A medida que el agua se compactaba un rayo separado de un instrumento llamado láser de electrones libres de rayos X llegó en una serie de pulsos brillantes de solo un femtosegundo, o una billonésima de segundo, largo. Similar a los flashes de las cámaras, este láser de rayos X estroboscópico tomó un conjunto de imágenes que revelan la progresión de los cambios moleculares, estilo libro animado, mientras que el agua a presión cristalizaba en hielo VII. El cambio de fase tomó solo 6 mil millonésimas de segundo, o nanosegundos. Asombrosamente, Durante este proceso, las moléculas de agua unidas en forma de varillas, y no esferas como predijo la teoría.

La plataforma desarrollada para este estudio, que combina alta presión con imágenes instantáneas, podría ayudar a los investigadores a investigar las innumerables formas en que el agua se congela. dependiendo de la presión y la temperatura. Bajo las condiciones de la superficie de nuestro planeta, el agua cristaliza de una sola forma, apodado hielo Ih ("hielo uno-H") o simplemente "hielo hexagonal, "ya sea en glaciares o en bandejas de cubitos de hielo en el congelador.

Profundizando en tipos de hielo extraterrestre, incluido el hielo VII, ayudará a los científicos a modelar entornos tan remotos como los impactos de cometas, las estructuras internas de potencialmente sustentar la vida, lunas llenas de agua como la Europa de Júpiter, y la dinámica de jumbo, rocoso, exoplanetas oceánicos llamados super-Tierras.

"Cualquier satélite helado o interior planetario está íntimamente conectado a la superficie del objeto, ", Dijo Gleason." Aprender sobre estos interiores helados nos ayudará a comprender cómo se formaron los mundos de nuestro sistema solar y cómo al menos uno de ellos, hasta donde sabemos, llegó a tener todas las características necesarias para la vida ".