El agua está por todas partes. Pero no es igual en todas partes. Cuando se congela bajo presiones y temperaturas extremas, el hielo adquiere una serie de estructuras cristalinas complejas.

Muchas de las propiedades y comportamientos de estos hielos exóticos siguen siendo misteriosos, pero un equipo de investigadores proporcionó recientemente nuevos conocimientos. Analizaron cómo las moléculas de agua interactúan entre sí en tres tipos de hielo y encontraron que las interacciones dependían en gran medida de la orientación de las moléculas y la estructura general del hielo. Los investigadores describen sus resultados en The Revista de física química .

"El nuevo trabajo nos ha brindado nuevos conocimientos espectaculares sobre cómo se comportan las moléculas de agua cuando se empaquetan en entornos densos y estructuralmente complejos, ", dijo Christoph Salzmann del University College London." En última instancia, este conocimiento nos permitirá comprender el agua líquida, así como el agua que rodea a las biomoléculas, de una manera mucho mejor ".

Agua es, por supuesto, esencial para la vida tal como la conocemos. Pero también es único debido a su forma molecular doblada, con dos átomos de hidrógeno colgando de un átomo de oxígeno en ángulo. La molécula general tiene una polaridad eléctrica, con lados cargados positiva y negativamente. Debido a estas propiedades, Las moléculas de agua pueden encajar de diversas formas cuando se solidifican en hielo.

Como el agua generalmente se congela en la Tierra, las moléculas se ensamblan en una red con unidades estructurales en forma de hexágonos. Pero a presiones extremadamente altas y bajas temperaturas, las moléculas pueden organizarse de formas más complejas, formando 17 fases diferentes, algunas de las cuales pueden existir en las lunas heladas de los planetas exteriores.

Si bien las estructuras en sí son conocidas, los científicos aún no comprenden completamente cómo las moléculas interactúan y se afectan entre sí, dijo Peter Hamm de la Universidad de Zurich. En estas fases de hielo, las moléculas están unidas, influyéndose unos a otros como si todos estuvieran conectados con resortes.

Para comprender estas interacciones, Salzmann, Hamm y su equipo utilizaron espectroscopía infrarroja 2-D en tres fases de hielo con estructuras diversas:hielo II, hielo V y hielo XIII. En este método, dispararon una secuencia de pulsos láser infrarrojos ultracortos para excitar los enlaces moleculares en el hielo, haciéndolos vibrar.

A medida que las vibraciones moleculares se estabilizan de nuevo a un estado de menor energía, la molécula emite luz en frecuencias infrarrojas. Al medir cómo la intensidad de la emisión infrarroja depende de las frecuencias tanto del pulso como de la radiación emitida, produciendo espectros 2-D, los investigadores pueden determinar cómo interactúan las moléculas entre sí.

Después de recopilar datos sobre el hielo, algunos de los cuales tuvieron que congelarse a menos de -200 grados Celsius y a presiones varios miles de veces mayores que la atmósfera al nivel del mar, los investigadores utilizaron simulaciones por computadora de interacciones moleculares para ayudar a interpretar sus resultados. Si bien las simulaciones coincidieron con los datos del hielo II, no lo hicieron por el hielo V y XIII, que habla de la complejidad del sistema.

Todavía, Los conocimientos de este tipo de análisis pueden ayudar a informar las simulaciones informáticas que se utilizan para modelar el comportamiento de moléculas biológicas como las proteínas. que suelen estar rodeadas de agua.

"El hielo de agua es importante, y necesitamos poder entenderlo a un nivel muy microscópico, "Dijo Hamm." Entonces podremos comprender mejor cómo el agua interactúa con otras moléculas, y particularmente biomoléculas ".