El hielo que mezclamos con nuestras bebidas heladas es un compuesto complicado, plagado de extrañas inconsistencias moleculares que los científicos aún luchan por comprender. Explorar la física detrás de la extraña microestructura del hielo de agua puede ayudarnos a aprender más sobre otros materiales avanzados aparentemente no relacionados y sus estados cuánticos.

Por eso Jonathan Morris, profesor asistente de física en la Universidad Xavier, y Joseph Lanier, un estudiante investigador de pregrado, están trabajando con la asistente de investigación postdoctoral Anjana Samarakoon en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) para sondear un solo cristal de agua congelada. Específicamente, el equipo quiere aprender más sobre los defectos iónicos, misteriosas anomalías moleculares que a veces aparecen en la estructura cristalina del hielo. Si pueden averiguar cuánta energía se necesita para producir estos defectos iónicos, pueden usar esa información para crear modelos para comprender inconsistencias similares encontradas en las estructuras moleculares de otros materiales.

"Queremos establecer una mejor comprensión de la física fundamental que dicta el comportamiento del hielo de agua, y luego, con suerte, usar ese conocimiento para aprender más sobre otros compuestos y estados de la materia, "dijo Morris.

Generalmente, El hielo se comporta de acuerdo con un conjunto de pautas llamadas Reglas de Bernal-Fowler (también conocidas como Reglas de hielo), que generalmente puede predecir cómo se comportarán las moléculas en el agua congelada. Por ejemplo, las reglas de Bernal-Fowler establecen que entre dos átomos de oxígeno cualesquiera, habrá un átomo de hidrógeno, y alrededor de cualquier átomo de oxígeno, habrá dos átomos de hidrógeno. Pero el hielo real no siempre está tan organizado. Algunas veces, las moléculas de agua en el hielo se comportan mal, ganando o perdiendo átomos de hidrógeno para convertirse en iones únicos a diferencia de cualquiera de sus moléculas de agua vecinas.

"En lugar de dos hidrógenos junto a un átomo de oxígeno individual, podrías terminar con tres, que crea una H ₃ O ⁺ ion, o podrías terminar con solo un hidrógeno al lado de un oxígeno, que seria un OH ^- ion. Estos defectos rompen las reglas del hielo a nivel local, y nos gustaría saber cómo y por qué lo hacen, "dijo Samarakoon.

Morris explica que aprender más sobre estos defectos iónicos ayudaría a los investigadores a comprender mejor la física fundamental que dicta cómo el hielo se derrite y responde a los campos eléctricos. También podría arrojar luz sobre los materiales que exhiben comportamientos cuánticos, como los candidatos de hielo de espín cuántico, que tienen arreglos de espín análogos a los átomos de hidrógeno en el hielo de agua.

"Por un lado, estamos realmente interesados ​​en aprender más sobre el hielo específicamente porque hay mucho que no sabemos sobre su microestructura. Pero también nos interesa el hielo porque los tipos de inconsistencias que vemos en su estructura molecular son muy similares a los defectos que encontramos en otros materiales. incluyendo algunos estados cuánticos, "dijo Morris.

Para comprender mejor estos defectos en el hielo y otros materiales, Morris, Lanier, y Samarakoon utilizaron el espectrómetro de dispersión difusa elástica (CORELLI) y el espectrómetro de amplio rango angular (ARCS) en la fuente de neutrones de espalación (SNS) de ORNL para sondear un delicado cristal de óxido de deuterio congelado, también conocido como "hielo de agua pesada", solo 4 centímetros de largo y 8 milímetros de diámetro.

"Usamos agua pesada, D2O, debido a que sus átomos de deuterio presentan un neutrón adicional en sus núcleos en comparación con el hidrógeno regular, lo que hace que sea más fácil de observar con dispersión de neutrones que H ₂ O. Y debido a que el agua pesada y el agua regular tienen estructuras atómicas similares, podemos usar lo que aprendemos sobre el hielo de agua pesada para construir hipótesis sobre el hielo de agua regular, "dijo Morris.

Los colaboradores de Helmholz-Zentrum en Berlín produjeron el cristal, lo que significaba que tenía que enviarse frío desde Alemania hasta Oak Ridge. Morris y su equipo tuvieron que tomar precauciones especiales para asegurarse de que no se derritiera en pleno vuelo.

"Llevar esa muestra de hielo de deuterio hasta Oak Ridge fue todo un desafío. Tuvimos que mantenerla almacenada en un contenedor de hielo seco y enviarla con un servicio aéreo especial para asegurarnos de que no se destruyera accidentalmente durante su viaje". Estamos muy contentos con el éxito que tuvimos y lo útiles que han sido todos en ORNL durante este proceso. "dijo Morris.

Los neutrones son perfectos para este experimento. Son profundamente penetrantes, permitiendo a Morris y su equipo construir un estudio completo de la microestructura interna del cristal de hielo y rastrear las firmas de energía de las moléculas de agua congelada que vibran dentro del hielo. El instrumento CORELLI en SNS es especialmente útil para este experimento porque le permite a Morris enfocarse específicamente en eventos de dispersión elástica, en el que los neutrones son dispersados ​​por los átomos de una muestra sin perder ni ganar energía. Luego, puede usar el instrumento ARCS cercano para medir el comportamiento dinámico, que complementa a la perfección los datos estáticos que él y su equipo obtienen de CORELLI.

"Los eventos de dispersión elástica son realmente importantes para localizar y estudiar defectos iónicos en el hielo. SNS es único porque no solo podemos separar los datos de dispersión elástica de los inelásticos con CORELLI, pero también podemos verificar esos resultados usando ARCS. Esto hace que realizar nuestro experimento sea mucho más fácil, "dijo Morris.

Morris, Lanier, y Samarakoon esperan que la información que obtengan de estos experimentos no solo ayude a los científicos a comprender mejor el hielo de agua, sino que también contribuya a una mejor comprensión de otros materiales.

"El hielo es un material fascinante, y lo que aprendamos sobre sus defectos iónicos aquí en ORNL podría ayudarnos a hacer una contribución significativa a la ciencia de los materiales en su conjunto, dijo Lanier.