Las complejas propiedades del agua y el hielo no se comprenden bien, pero un equipo de UCL y la fuente de neutrones y muones de ISIS han revelado nueva información sobre una fase del hielo llamada hielo II.

Dado que el agua constituye el 60% de nuestro cuerpo y es una de las moléculas más abundantes del universo, no es de extrañar que el agua sea conocida como la "matriz de la vida".

Hay muchas formas diferentes de hielo, todas las cuales varían significativamente del hielo que encontraría en su congelador. El hielo adopta muchas formas diferentes dependiendo de la presión a la que se desarrolló.

A medida que el agua congela, sus moléculas se reorganizan, y la alta presión hace que las moléculas se reorganicen de formas diferentes a las que normalmente lo harían. Las muchas fases distintas del hielo se pueden resumir usando un diagrama de fases, que muestra los estados físicos preferidos de la materia a diferentes temperaturas y presiones.

Investigadores de la UCL y del Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC) ISIS Neutron and Muon Source han utilizado la difracción de neutrones de alta presión para investigar el impacto de las impurezas de fluoruro de amonio en el diagrama de fase del agua.

Sus sorprendentes resultados, publicado en Física de la naturaleza , encontró que la adición de esta impureza causó una fase particular de hielo, conocido como hielo II, desaparecer por completo del diagrama de fases del agua, mientras que las otras fases no se vieron afectadas.

Las muchas fases diferentes del hielo se pueden agrupar en uno de dos tipos:fases ordenadas por hidrógeno y fases desordenadas por hidrógeno. En estas diferentes fases, la orientación de las moléculas de agua está bien definida o desordenada.

Ice II es una fase de hielo ordenada por hidrógeno que se forma en condiciones de alta presión. A diferencia de otras fases del hielo, El hielo II permanece termodinámicamente estable y ordenado por hidrógeno hasta temperaturas muy altas y el origen de este resultado anómalo no se comprende bien.

Usando difracción de neutrones, el grupo reveló las propiedades muy especiales del hielo II. El difractómetro de neutrones de alta presión PEARL en ISIS Neutron and Muon Source está optimizado para estudios de difracción de hasta 20 GPa, aunque aquí las muestras solo se expusieron a 0,3 GPa. Aunque esto está muy por debajo de la capacidad total del instrumento, 0,3 GPa sigue siendo equivalente a 3 toneladas presionando una sola uña.

Para las mediciones de difracción de neutrones, se colocaron muestras de hielo molido dentro de una lata de titanio-circonio, que los neutrones penetran fácilmente. La presión extrema en PEARL se generó usando un compresor de gas lleno de gas argón. PEARL permite que se realicen mediciones de difracción de neutrones de presión in situ, que fueron fundamentales para esta investigación.

"Sin la difracción de neutrones in situ no podríamos haber realizado este estudio. Era fundamental demostrar que el hielo II ha desaparecido en la región del diagrama de fases donde normalmente existiría". "dijo el Dr. Christoph G. Salzmann (Química UCL).

Además de recopilar datos de difracción de neutrones a alta presión, Los investigadores también utilizaron métodos computacionales para obtener conocimientos muy importantes. Descubrieron que el dopaje del hielo II con pequeñas cantidades de fluoruro de amonio hacía que esta fase particular del hielo desapareciera por completo. mientras que las fases competidoras del hielo no se vieron afectadas. Esta observación permitió a los investigadores inferir información importante sobre las propiedades altamente inusuales del hielo II.

"A diferencia de las otras fases, Ice II es una restricción topológica. Esto significa que las moléculas de agua en el hielo II interactúan entre sí a distancias muy largas. En un sentido, pase lo que pase con una molécula de agua en un cristal de hielo II, todas las demás moléculas "sienten" el efecto. En nuestro estudio, El hielo II sufre una perturbación por el fluoruro de amonio que desestabiliza todo el hielo II y lo hace desaparecer. "Añadió el Dr. Salzmann.

El conocimiento de este efecto será de importancia para cualquier estudio donde el hielo coexista con otros materiales en la naturaleza, por ejemplo en lunas heladas. Además, las propiedades especiales del hielo II proporcionan una nueva explicación de por qué el diagrama de fases del agua muestra tantas anomalías, incluyendo agua líquida. Estos hallazgos también pueden abrir estudios en nuevas fases del hielo. Si los dopantes tienen la capacidad de suprimir ciertas fases del hielo, esto sugiere que también pueden inducir la formación de nuevas fases de hielo.

Interés en la "matriz de la vida, "y sus muchas fases de hielo, ciertamente no muestra signos de vacilar. Con difracción de neutrones de alta presión que permite el estudio de entornos de extrema presión de una manera que ninguna otra técnica puede hacer, es probable que veamos al equipo de regreso en la instalación en busca de nuevas fases de hielo.