Utilizando temperaturas ultrafrías y algunos cojinetes de bolas de acero, los científicos han creado una nueva y extraña forma de hielo que tiene la misma densidad que el agua líquida.
El hielo, conocido como hielo amorfo de densidad media, encaja en un vacío en los anales de agua congelada que los científicos no estaban seguros de que alguna vez se llenara. A diferencia del hielo cristalino que se forma naturalmente en la Tierra, el hielo recién creado no tiene una estructura molecular organizada. En cambio, sus moléculas están en un desajuste caótico, más como el vidrio, un estado conocido como amorfo. Se han hecho otros tipos de hielo amorfo antes, pero han sido mucho menos densos o mucho más densos que el agua líquida. Esta nueva versión Goldilocks de hielo amorfo está justo en el medio, casi igualando exactamente la densidad del agua líquida, explicaron los investigadores en un nuevo estudio publicado en la revista. Ciencia hoy (2 de febrero).
«Es algo completamente nuevo», dijo el autor principal del estudio. Christoph Salzmann (se abre en una pestaña nueva)profesor de química física y de materiales en el University College London.
moler hielo
Cuando el hielo se congela normalmente en Tierra, sus moléculas se apilan en una estructura cristalina organizada. Este hielo cristalino es una de las extrañas peculiaridades del H2O, porque flota en el agua líquida en su estado sólido en lugar de hundirse. Esto se debe a las brechas relativamente grandes en la estructura cristalina del hielo de agua, en comparación con otros materiales que forman estructuras más densas cuando cristalizan.
Sin embargo, cuando se manipula adecuadamente, el agua líquida también puede congelarse en un estado amorfo y desorganizado. El primero de estos estados, el hielo amorfo de baja densidad, fue descubierto en la década de 1930. Se fabrica depositando vapor de agua sobre superficies muy frías. Este proceso ocurre naturalmente en el espacio, dijo Salzmann, por lo que el hielo amorfo de baja densidad puede ser la forma más común de hielo en el universo.
En la década de 1980, los investigadores descubrieron que también podían fabricar hielo amorfo de alta densidad comprimiendo hielo normal a muy baja temperatura. temperaturas. Pero nadie había hecho hielo amorfo con una densidad media, es decir, hasta que Salzmann y sus colegas tuvieron una «idea loca de viernes por la tarde». Decidieron probar la molienda de bolas de hielo.
Un molino de bolas es un dispositivo parecido a una coctelera muy avanzada. Se coloca un material en una cámara con bolas de acero inoxidable y se agita o gira hasta que el material se muele. La molienda de bolas se usa en muchas industrias, pero es particularmente buena para crear materiales amorfos y moler materiales blandos y congelados en polvo, dijo Salzmann.
«Dijimos, ‘¿Por qué no hacemos un molino de bolas de hielo y vemos qué pasa?'», dijo Salzmann.
Propiedades extrañas
Los investigadores esperaban que el molino de bolas rompiera los cristales de hielo en cristales de hielo más pequeños. Pero eso no es lo que pasó. En cambio, las bolas de acero que caían cortaron y comprimieron los cristales de hielo, empujándolos a un nuevo estado de desorganización. ¿El resultado? Hielo amorfo de densidad media.
El modelado por computadora mostró que el hielo comienza en un buen estado cristalino, sus enlaces de hidrógeno forman una red hexagonal. El corte aleatorio del molino de bolas empuja estos enlaces de hidrógeno de un lado a otro, dejándolos apuntando hacia arriba y hacia abajo en un zigzag caótico.
La nueva forma de hielo se forma a 77 grados Kelvin, o menos 321 grados Fahrenheit (menos 196 grados Celsius). Tiene algunas propiedades extrañas más allá de su densidad de 1,06 gramos por centímetro cúbico (0,037 onzas por 0,06 pulgadas cúbicas). (El agua tiene una densidad de 1 gramo por centímetro cúbico, o 0,035 golpes por 0,06 pulgadas cúbicas). Entre ellas, dijo Salzmann , es que cuando los investigadores comprimieron el hielo de densidad media y lo calentaron a menos 185 F (menos 120 C), el hielo se recristalizó, liberando una gran cantidad de calor.
«Con otras formas de [amorphous] hielo, si los comprime y libera la presión, es como si nada hubiera pasado», dijo Salzmann. «Pero la MDA [medium-density amorphous ice] de alguna manera tiene esta capacidad de almacenar la energía mecánica y liberarla a través del calentamiento».
El hielo amorfo de densidad media podría ocurrir naturalmente en las lunas de hielo de los planetas gigantes gaseosos, dijo Salzmann, donde las fuerzas gravitatorias de los mundos enormes comprimen y cortan el hielo de las lunas. Si es así, la energía mecánica almacenada en esta forma de hielo podría influir en la tectónica de estas lunas similares a Hoth.
Comprender el hielo amorfo de densidad media también podría ayudar a los investigadores a comprender mejor el agua líquida de manera más general, dijo Salzmann. El agua es extraña no solo porque su forma cristalina flota, sino también porque tiene otras propiedades únicas, como alta tensión superficial y altos puntos de fusión y ebullición. Los científicos aún debaten sobre la naturaleza del agua a temperaturas extremadamente bajas. Cualquier debate ahora debe tener en cuenta el hielo amorfo de densidad media, dijo Salzmann.
«Gran parte de nuestra comprensión del agua líquida se basó en los pilares de que hay hielo amorfo de baja y alta densidad», dijo. «¿Cómo encaja el hielo amorfo de densidad media en esa imagen?»
