El agua tiene muchas fases de hielo que se forman bajo diferentes condiciones de presión y temperatura. Los efectos de la presión positiva se han explorado ampliamente, con resultados algo predecibles:a medida que aumenta la presión, también lo hace la densidad del hielo.

Se sabe mucho menos sin embargo, sobre los efectos de la presión negativa extrema sobre las moléculas de agua. Explorando una región significativa de presión negativa a través de simulaciones de dinámica molecular, Los investigadores ahora han descubierto teóricamente una nueva familia de fases de hielo. Llamados aeroices, estos hielos tienen la densidad más baja de todos los cristales de hielo conocidos. Los investigadores, de la Universidad de Okayama en Japón, informan sus hallazgos esta semana en La Revista de Física Química .

"Nuestra investigación, que examina una región completa de presión negativa por primera vez, proporciona un trampolín importante en la exploración de este vasto e intrincado territorio en el diagrama de fase, "dijo Masakazu Matsumoto, profesor asociado en el Instituto de Investigación para la Ciencia Interdisciplinaria de la Universidad de Okayama y coautor del artículo. "Los hielos con densidad más baja que el hielo normal también son múltiples [de muchos tipos]".

Se espera que el descubrimiento acelere la comprensión de las propiedades fundamentales y el comportamiento del agua en nanotubos y otros nanoporos. así como en biomoléculas.

Se han encontrado diecisiete fases de hielo experimentalmente, cada uno numerado en el orden de su descubrimiento. Solo dos hielos tienen menor densidad que el hielo normal.

En 2014, un equipo de investigación descubrió una fase de hielo que se forma bajo presión negativa:el hielo XVI. Las moléculas del hielo forman una estructura de zeolita, una jaula cristalina 3-D, en el que las moléculas invitadas o los átomos quedan atrapados en su interior. Se eliminaron las moléculas invitadas (partículas de neón en este caso), resultando en un estable, Hielo de densidad ultrabaja a altas presiones negativas. Usando una técnica similar, otro grupo de investigadores descubrió el hielo XVII en 2016.

Los investigadores de la Universidad de Okayama mapearon todas las posibles fases del hielo que aún podrían quedar por explorar en la región de presión negativa. Sabiendo que la estructura de la sílice (SiO2) y el hielo son comunes, recuperaron 200 zeolitas de sílice de la base de datos de zeolitas, que se administra a través de la Asociación Internacional de Zeolitas. Se evaluaron más de 300 estructuras en total.

Los investigadores reorganizaron los átomos en la estructura de SiO2, eliminar los dos átomos de oxígeno y reemplazar el átomo de silicio en cada molécula con un átomo de oxígeno. Luego, los átomos de hidrógeno se agregaron para que la estructura obedeciera a la regla del hielo.

En el rango de densidad que es solo alrededor de la mitad que el del agua líquida (~ 0.5 g / cm ^ 3), los investigadores demostraron que la fase de hielo recién descubierta es más estable que cualquier hielo de zeolita investigado hasta ahora. Los investigadores simularon estructuras de hielo aún menos densas, entre 0 y 0,5 gramos por centímetro cúbico, agregando bloques de construcción poliédricos a las estructuras zeolíticas para hacer que la estructura sea más escasa y al mismo tiempo satisfacer la regla estructural del hielo.

"Estas nuevas estructuras son los aeroices, "dijo Matsumoto, "y pueden ser más estables que cualquier hielo zeolítico en ciertas condiciones termodinámicas bajo presión negativa".