Una sustancia fascinante con propiedades únicas, El hielo ha intrigado a los humanos desde tiempos inmemoriales. A diferencia de la mayoría de los otros materiales, el hielo a muy baja temperatura no está tan ordenado como debería. Una colaboración entre la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), el Centro Internacional Abdus Salam de Física Teórica (ICTP), el Instituto de Física Rosario (IFIR-UNR), con el apoyo del Istituto Officina dei Materiali del Consejo Nacional de Investigación de Italia (CNR-IOM), hizo nuevos avances teóricos sobre las razones por las que esto sucede y sobre la forma en que se puede recuperar parte del orden faltante. En ese estado ordenado, el equipo de científicos ha descrito una propiedad relativamente oscura pero fundamental del hielo a muy baja temperatura:la ferroelectricidad. Los resultados, publicado en PNAS , es probable que se extiendan a las superficies de hielo, una posibilidad que podría ser relevante para la aglomeración de partículas de hielo en el espacio interestelar.

"En un trozo de hielo perfectamente ordenado, los átomos de hidrógeno de cada molécula de agua deben apuntar en la misma dirección, como soldados en un pelotón mirando frente a ellos, "explica Alessandro Laio, físico de SISSA e ICTP. "Si ese fuera el caso, el hielo exhibiría una polarización eléctrica macroscópica, sería ferroeléctrico. En lugar de, moléculas de agua en hielo, incluso a muy baja temperatura, compórtate como soldados rebeldes, y todos miran en diferentes direcciones ".

Este comportamiento anómalo, descubierto experimentalmente en la década de 1930, Linus Pauling lo explicó de inmediato y de manera famosa:la falta de disciplina es un efecto de la restricción de la 'regla del hielo':cada átomo de oxígeno debe poseer en cualquier momento dos y solo dos protones para convertirse en H ₂ O. La cinética difícil creada por esa restricción hace que el proceso de pedido se vuelva infinitamente lento, como en un pelotón donde cada soldado tenía cuatro vecinos y tenía que mantener dos manos sobre los hombros de dos de ellos.

"Si no fuera por impurezas o defectos, que resultó tener un papel revelador, todavía hoy no se sabría si el orden de los protones y la ferroelectricidad del hielo cristalino a granel es una posibilidad real o una invención de la imaginación, Dado que ni los experimentos ni las simulaciones pudieron superar la desaceleración cinética generada por la regla del hielo, "señala Erio Tosatti, físico de SISSA, ICTP y CNR-IOM Democritos.

Impurezas como un KOH que reemplaza a H ₂ Oh son de hecho conocidos por permitir que el proceso de pedido se nuclee y el hielo se vuelva ordenado y ferroeléctrico a muy baja temperatura, aunque solo en parte y con lentitud. Una vez más, Se sospechaba que la 'regla del hielo' estaba detrás de la lentitud de este proceso, pero no se sabía exactamente cómo funcionaba.

Junto a Jorge Lasave y Sergio Koval de IFIR-UNR en Argentina, ambos miembros asociados del ICTP, Alessandro Laio y Erio Tosatti diseñaron un modelo teórico y una estrategia para explicar el comportamiento del hielo tanto puro como dopado.

"Según este modelo, "explican los científicos, "una vez que se introduce una impureza dentro de un estado desordenado de baja temperatura de no equilibrio inicial, actúa como semilla para la fase ordenada, pero de una manera peculiar:no todos los 'soldados' alrededor de la impureza comienzan a mirar en la dirección correcta, pero solo los que están delante o detrás de la impureza. Por lo tanto, al final del proceso sólo se ordenará una serie de soldados dentro del pelotón ". Este proceso altamente atípico tiene muchas de las características que pueden explicar el inicio lento e incompleto del orden ferroeléctrico en el hielo dopado real.

"Aunque el estudio está restringido por ahora al hielo a granel, "Tosatti y Laio concluyen, "es probable que el mecanismo destacado se extienda a las superficies de hielo, donde cadenas de protones ordenados podrían nuclearse a bajas temperaturas, explicando una pequeña cantidad conocida desde hace mucho tiempo de polarización ferroeléctrica local, un fenómeno también mencionado como posiblemente relevante para la aglomeración de partículas de hielo en el espacio interestelar ".