A menudo se cree que la estructura de vidrio de un material imita su líquido correspondiente. El poliamorfismo entre hielos se ha utilizado como guía para dilucidar las propiedades del agua líquida. Pero, ¿cuántas formas de hielos amorfos existen? ¿Entendemos cómo el hielo cristalino de alta presión metaestable evoluciona hacia la forma de baja densidad térmicamente estable?

Un equipo de investigación internacional dirigido por Chuanlong Lin y Wenge Yang de HPSTAR y John S. Tse de la Universidad de Saskatchewan ha revelado un mecanismo de transformación de múltiples pasos utilizando difracción de rayos X de sincrotrón in situ de resolución temporal de última generación. Se identificó una vía cinética dependiente de la temperatura / tiempo con tres transiciones distintivas en la evolución estructural del hielo cristalino metaestable (hielo VII o hielo VIII) al hielo termodinámicamente estable I. Estos procesos intermedios compiten entre sí. El resultado final es una yuxtaposición de estos procesos. El trabajo está publicado en PNAS .

El agua juega un papel vital en el origen de la vida en la Tierra. En la fase líquida, exhibe muchas propiedades inusuales. En la fase sólida, El hielo ordinario también muestra diversas transiciones de fase a alta presión. Se han dedicado muchos estudios teóricos y experimentales a comprender los mecanismos de interconversión subyacentes. Hasta aquí, la mayoría de los experimentos han sido mediciones ex situ en muestras recuperadas y carecen de información detallada sobre la evolución estructural que acompaña a la transformación. Los estudios anteriores se han visto obstaculizados por dificultades técnicas para monitorear el rápido cambio estructural en un amplio rango de presión y temperatura.

En 2017, Lin y sus colegas superaron el desafío experimental. Se realizó una serie de estudios para investigar las transiciones de hielo mediante la combinación de difracción de rayos X resuelta en el tiempo in situ, y control remoto de presión con diferentes velocidades de rampa dentro de un criostato de baja temperatura. Esta capacidad permitió la supresión de transiciones cristalino-cristalino impulsadas térmicamente [ PNAS 115, 2010-2015 (2018)]. Se obtuvieron importantes conocimientos sobre la complejidad de las transformaciones poliamorfas, como la amorfización en dos etapas controlada cinéticamente en hielo Ih [Phys. Rev. Lett. 119, 135701 (2017)] y la exitosa aventura en la tierra de nadie [Phys. Rev. Lett. 121, 225703 (2018)].

Ahora, intentan responder ¿cuál es exactamente la naturaleza de los procesos de transformación de fase amorfa-amorfa? Usando las técnicas recientemente desarrolladas, exploraron el proceso del "espejo", es decir., transformación inversa de un hielo cristalino de alta densidad metaestable (es decir, hielo VII o hielo VIII) al hielo estable ambiental I. Identificaron las vías cinéticas dependientes de la temperatura / tiempo y caracterizaron la interacción / competencia entre la transición amorfa de alta densidad (HDA)-amorfa de baja densidad (LDA) y la recristalización. A diferencia de las secuencias de transformación hielo VII (o hielo VIII) —LDA — hielo I informadas anteriormente, Las mediciones resueltas en el tiempo muestran un proceso de tres pasos:transformación inicial del hielo VII en HDA, seguido de una transición HDA-LDA, y luego cristalización de LDA en hielo I. Tanto la amorfización del hielo VII como la transición de HDA a LDA muestran mecanismos de activación térmica distintivos. Significativamente, ambos procesos exhiben el comportamiento de Arrhenius con un tiempo de duración dependiente de la temperatura (τ) y una temperatura de 'transición' de alrededor de 110-115 K.

Los cálculos de dinámica molecular a gran escala también apoyan sus hallazgos experimentales. Es más, muestra que la transformación de HDA a LDA es continua con una gran diferencia de densidad e implica desplazamientos sustanciales de agua en la nanoescala. Este estudio presenta una nueva perspectiva sobre la metaestabilidad y las complejidades en la configuración de las vías cinéticas de transición del hielo.