El estudio, titulado "Dinámica de protones ricos y comportamientos de fase de hielos nanoconfinados", se publicó en Nature Physics. .

Estos hallazgos, que desafían el comportamiento normal observado en la vida diaria, encierran un inmenso potencial para avanzar en nuestra comprensión de las propiedades inusuales del agua en ambientes extremos, como en el núcleo de planetas helados distantes. Las implicaciones de este importante avance científico abarcan varios campos, incluida la ciencia planetaria, la ciencia energética y la ingeniería de nanofluidos.

Dirigido por el profesor Zeng Xiaocheng, jefe y catedrático del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de CityU, el equipo de investigación empleó métodos computacionales de última generación para simular las propiedades del agua y el hielo en condiciones extremas.

A través del potencial del aprendizaje automático, la búsqueda de estructuras cristalinas, la dinámica molecular de trayectoria integral y la metadinámica, llevaron a cabo simulaciones integrales de agua monocapa y bicapa bajo nanoconfinamiento. Estas simulaciones revelaron una variedad de fenómenos intrigantes, incluido el derretimiento bidimensional (2D) del hielo en agua, el nuevo comportamiento del hielo, la división del agua y la dinámica de protones en nanohielo.

El equipo de investigación descubrió 10 nuevos estados de hielo en 2D, cada uno de los cuales presenta características únicas. En particular, identificaron hielo molecular 2D con una configuración O-H-O simétrica, que recuerda al Hielo X 3D de mayor densidad encontrado en la Tierra. Además, observaron hielo dinámico, parcialmente iónico y varios hielos superiónicos. Sorprendentemente, estos estados de hielo 2D podrían producirse a presiones mucho más bajas que sus homólogos 3D con una densidad de agua similar, lo que los hace más accesibles en condiciones de laboratorio.

El profesor Zeng enfatizó la importancia de estos hallazgos y afirmó que representan una nueva frontera en la comprensión de la física y la química del agua y el hielo en condiciones extremas, particularmente en el núcleo de los planetas gigantes de hielo.

"El potencial para crear estos estados únicos de división del hielo y el agua en el laboratorio, incluidos hielos dinámicos, parcialmente iónicos y superiónicos a una presión más baja de lo que antes se creía posible, es particularmente apasionante", afirmó el profesor Zeng.

Explorar el comportamiento del agua y el hielo en diferentes condiciones, especialmente cuando se considera el nanoconfinamiento, es una tarea profundamente compleja.

El equipo de investigación abordó este desafío mediante una gran cantidad de simulaciones de dinámica molecular y dinámica molecular integral de trayectoria, generando un vasto conjunto de datos. Extraer información significativa de esta enorme cantidad de datos planteó un importante desafío de análisis de datos que requirió una exploración meticulosa.

Estos hallazgos allanaron el camino para futuras investigaciones sobre los misterios de los planetas gigantes de hielo y las propiedades fundamentales del agua. La siguiente fase de esta investigación implica la validación experimental de las predicciones computacionales y la exploración de aplicaciones prácticas.

El profesor Zeng expresó entusiasmo sobre el potencial de esta investigación para profundizar nuestra comprensión del agua, el hielo y la división del agua en entornos extremos, al tiempo que abre nuevas fronteras en la nanociencia y la investigación planetaria.