Instantáneas representativas de la compresión de hielo hexagonal en hielo amorfo de alta densidad. Las esferas azul y roja representan diferentes entornos locales de moléculas de agua en función de su orden local:azul para ordenado, entornos hexagonales similares al hielo y rojo para desorden, ambientes amorfos de alta densidad. Panel izquierdo:muestra de hielo hexagonal a alta presión (antes de la transición de fase). Panel central:transición de fase entre hielo hexagonal y hielo amorfo de alta densidad. Panel derecho:muestra de hielo amorfo de alta densidad. Crédito:Fausto Martelli et al.
Un nuevo estudio desafía la noción de que la estructura atómica del vidrio es indistinguible de la de un líquido, al menos para cierto tipo de vidrio llamado "hielo amorfo" que se forma cuando el agua se enfría a temperaturas muy bajas.
En el estudio, Investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad de la Ciudad de Nueva York utilizaron simulaciones por computadora para mostrar que las moléculas de agua en el hielo amorfo están dispuestas en un orden previamente no detectado. que no contenía el líquido original. El hallazgo, publicado el 29 de septiembre en la revista Cartas de revisión física , puede ayudar a explicar la curiosidad del agua, propiedades vivificantes. También desafía la definición misma de lo que significa ser un vaso.
Los vasos se fabrican normalmente enfriando un líquido rápidamente, y, según el conocimiento actual, un vaso hereda el orden que estaba presente en el líquido original. En el caso del hielo amorfo, sin embargo, a medida que el agua líquida se enfría, surge una nueva y ordenada disposición de moléculas.
"Según nuestros resultados, estos tipos de vidrio no son simplemente líquidos congelados; esta imagen ya no se sostiene, "dijo Fausto Martelli, investigador asociado en el Departamento de Química de Princeton. "Básicamente, estamos diciendo que una noción que los científicos han creído durante muchos años es parcialmente incorrecta".
Antes de este estudio, Los investigadores sabían que la rápida congelación del agua, que puede ocurrir a las temperaturas extremadamente frías que se encuentran en el espacio exterior, conduce a la formación de un material muy diferente al hielo de la experiencia cotidiana. Este material, conocido como hielo amorfo, carece de la estructura cristalina altamente ordenada del hielo regular, lo que lleva a los científicos a clasificarlo como un vidrio, un líquido cuyo movimiento se ha ralentizado a un ritmo glacial. Los hielos amorfos no son comunes en la Tierra, pero son la forma de agua más abundante del universo.
El nuevo estudio encontró que las moléculas en estos hielos amorfos se organizan en un patrón interno previamente no detectado. Este patrón, conocido como hiperuniformidad desordenada, se define como el orden a través de grandes distancias espaciales incluso cuando no hay orden en distancias cortas. Los materiales hiperuniformes desordenados caen en algún lugar entre un cristal, que está altamente organizado en largas distancias, y un liquido, que solo se solicita para distancias cortas.
"La existencia de estas correlaciones estructurales a gran escala no se ha apreciado completamente, y eso es realmente lo que queríamos abordar en este estudio, "dijo el coautor del estudio, Salvatore Torquato, un profesor de química que, con el científico senior de Princeton Frank Stillinger, identificó por primera vez la hiperuniformidad hace más de una década ( Revisión física E , 2003). "La información presente en estos sistemas es bastante sorprendente, y conduce a conocimientos completamente nuevos sobre los materiales, ", dijo. Él y sus colegas han identificado desde entonces hiperuniformidad en varios lugares, incluida la disposición de las células en el ojo de un pollo ( Revisión física E , 2014).
Además de Martelli y Torquato, los autores del estudio incluyeron a Roberto Car, Profesor Ralph W. Dornte de Química en Princeton, y Nicolas Giovambattista, profesor asociado en Brooklyn College-The City University of New York. Torquato y Car están asociados con el Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales de Princeton.
Para explorar la estructura interna de los hielos amorfos, Martelli usó un modelo de computadora que rastrea el comportamiento de más de 8, 000 moléculas de agua para simular lo que sucedería si enfriara el agua a unos 80 grados Kelvin (unos -316 grados Fahrenheit). A esta temperatura, las moléculas de agua están tan privadas de calor que ya no pueden moverse de un lugar a otro, ni rotar en su lugar. A esta temperatura y menos, los investigadores observaron que el patrón hiperuniforme emergía en los datos de la simulación por computadora.
"No estamos acostumbrados a buscar orden en escalas de longitud tan grandes, "Martelli dijo." Sin embargo, las matemáticas nos permiten arrojar luz sobre patrones que nuestros ojos no pueden ver ".
Las simulaciones requirieron meses de tiempo en computadoras de investigación de alto rendimiento, incluidos los grupos TIGRESS de la Universidad de Princeton a través del Instituto de Ciencia e Ingeniería Computacional de Princeton.
La simulación permitió a los investigadores hacer preguntas sobre la naturaleza del agua, que tiene muchos comportamientos anómalos que lo hacen especialmente adecuado para sustentar la vida. Una de esas anomalías es que la forma cristalina del hielo es menos densa que el agua líquida, permitiendo que el hielo flote, lo que a su vez permite que exista vida bajo el hielo en lagos y océanos.
Una posible explicación de las anomalías del agua es que, a temperaturas muy frías, el agua puede venir en dos fases líquidas, una más densa que la otra, en lugar del estado líquido que nos resulta familiar. La detección de la transición del agua entre las formas de alta y baja densidad ha resultado difícil de alcanzar debido a desafíos técnicos.
El estudio actual proporciona un apoyo indirecto para la existencia de las dos formas, al menos en simulaciones por ordenador. Giovambattista simuló la aplicación de alta presión al modelo y observó que la presión convertía la forma de hielo amorfo de baja densidad en una forma de alta densidad. La transición entre las dos formas de hielo amorfo es consistente con la existencia de dos formas líquidas de agua.
La comprensión del orden de largo alcance presente en los materiales amorfos es un área de estudio activa porque el aprovechamiento de la hiperuniformidad podría conducir a aplicaciones prácticas. La hiperuniformidad presente en el silicio amorfo puede permitir nuevas formas de ajustar las propiedades electrónicas. La capacidad de manipular el orden hiperuniforme de largo alcance de un material puede ayudar a los científicos a construir cerámicas más fuertes o vidrios de mayor duración.
Los hielos amorfos se pueden producir en entornos de laboratorio, Martelli dijo:y puede ser posible encontrar evidencia de hiperuniformidad en estos experimentos.
