Un equipo de teóricos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) ha resuelto un enigma de larga data en la nucleación de una fase de alta presión del hielo conocida como hielo VII, que se cree que existe cerca del núcleo de los planetas del "mundo oceánico" detectados recientemente fuera del sistema solar, y se ha descubierto recientemente que existe dentro del manto de la Tierra. Los hallazgos se describen en un artículo publicado hoy por Cartas de revisión física .

Se ha descubierto que el agua se congela en hielo VII en experimentos de laboratorio que utilizan ondas de choque o rampas para comprimir el agua líquida a presiones superiores a 100, 000 veces el encontrado en condiciones ambientales. Sin embargo, Los experimentos llevados a cabo por diferentes grupos de investigación han presentado modos de nucleación contradictorios. En un caso, El hielo se nuclea heterogéneamente (se forma en la superficie de un material cercano) pero en otros estudios se encontró que el hielo se nuclea de manera homogénea (dentro de la mayor parte de la muestra de agua) y con una tasa de cristalización mucho más rápida, con toda la muestra congelada en una escala de tiempo asombrosamente corta de 10 nanosegundos.

"Las condiciones creadas por la compresión de choque son inusuales porque producen una enorme fuerza impulsora para que el sistema se nuclee; hay consideraciones únicas que deben tenerse en cuenta para la solidificación a alta presión, "dijo Philip Myint, miembro del personal de la División de Física de LLNL y autor principal de la investigación, que también aparece como una "sugerencia del editor" en la revista. "El líquido se aleja del equilibrio tan rápidamente que se necesita más tiempo para que aparezcan los grupos, un proceso conocido como nucleación transitoria ".

Myint y sus coautores encontraron que este mecanismo de nucleación transitoria tiene un efecto profundo en la escala de tiempo para la cristalización, una idea que altera la forma en que se podrían realizar los experimentos de alta presión en el futuro.

La nucleación de un cristal comienza con la formación de un grupo de átomos, creando una interfaz que no es ni líquida ni sólida. En agua helada a presión ambiente, hay una capa de calor que corre por delante de la interfaz líquido-sólido. El nuevo trabajo teórico sobre la cinética del hielo VII pinta una imagen completamente diferente, prácticamente sin capa de calor por delante de la interfaz.

"Este desequilibrio de temperatura extrema entre el líquido y el cristal de hielo VII en crecimiento proviene del subenfriamiento extremadamente alto que hace que el líquido se congele. Como resultado, no es necesario el lento proceso de eliminación del calor latente y la velocidad de la interfaz se controla solo mediante un orden molecular muy rápido en la interfaz, "dijo el coautor Alex Chernov, un físico de LLNL y una autoridad en el campo del crecimiento de cristales. "Es más, el proceso de nucleación en este sistema es extremadamente especial en comparación con lo que generalmente se conoce sobre solidificación, con un solo núcleo crítico que contiene menos de 100 moléculas de agua. Este es un régimen en el que se ponen a prueba los límites de nuestra comprensión física ".

El modelo teórico desarrollado por el equipo (que se basa en su trabajo anterior, publicado aquí y aquí), lo que explica más de una docena de experimentos de congelación a alta presión, también puede arrojar luz sobre áreas de aplicación donde son deseables tasas muy altas de nucleación, como en la síntesis de materiales y la tecnología de almacenamiento de memoria.

"La comprensión y el control de las correlaciones dinámicas entre escalas que aparecen en la materia alejada del equilibrio es quizás la frontera de investigación más importante y desconocida en la actualidad, y el progreso en este campo será clave para la carrera por las tecnologías del siglo XXI, "dijo el coautor Babak Sadigh, un físico del LLNL y experto en fenómenos de desequilibrio. "Al analizar la termodinámica y la cinética de las interfaces, hay clases de problemas completamente nuevas que se pueden estudiar y, por último, revisado. Un santo grial es diseñar máquinas y sistemas dinámicos autorreguladores que puedan utilizar dinámicas disipativas lejos del equilibrio para realizar tareas complejas. como en los sistemas biológicos, el control de la nucleación es un paso en este camino ".

Según el equipo, el avance fundamental fue posible solo después de rechazar los enfoques empíricos que habían sido adoptados por la comunidad más amplia de la física de choque hasta hace poco.

"Durante más de una década, la comunidad de la compresión de choque no ha podido comprender qué está sucediendo en la congelación compresiva del agua y su cinética observada. Creo que una teoría basada en la física de cómo se solidifica el hielo VII finalmente está aquí, al menos para el caso de nucleación homogénea, "dijo Jon Belof, líder del proyecto de investigación cinética en física y desarrollo de modelos de ingeniería bajo el programa de Computación y Simulación Avanzada de LLNL y autor correspondiente del artículo.

El trabajo teórico futuro se centrará en comprender mejor el escenario de nucleación heterogénea, que el equipo encontró juega un papel más prominente a presiones más bajas. "Ese es el verdadero desafío, ", Dijo Belof." La nucleación es un evento raro y, en principio, sólo se necesita un único sitio heterogéneo para comenzar ".