Ice XXI: en qué consiste el hielo que podría cambiar la exploración espacial

Un equipo de científicos descubrió una nueva fase de hielo que desafía las concepciones previas sobre el comportamiento del agua bajo condiciones extremas.

El hallazgo, publicado en Nature Materials, describe la formación de ice XXI, una estructura cristalina que surge a temperatura ambiente cuando el agua es sometida a presiones extraordinarias.

Tras el descubrimiento, se demuestra que el agua puede formar fases de hielo desconocidas en planetas y lunas helados.

Esto modifica cómo se interpretan datos sobre la estructura y procesos internos de estos cuerpos. Además, puede ayudar a mejorar modelos para buscar agua y posibles formas de vida en el espacio.

Qué hicieron

“Con los pulsos únicos de rayos X del European XFEL, hemos descubierto múltiples rutas de cristalización en el agua, que fue comprimido y descomprimido rápidamente más de 1.000 veces utilizando una celda dinámica de yunque de diamante”, afirmó Geun Woo Lee, físico del Instituto Coreano de Investigación de Normas y Ciencias.

El hielo que habitualmente se encuentra en la Tierra, conocido como ice I, representa solo una de las más de veinte fases posibles que puede adoptar el agua al variar la temperatura y la presión.

Según el equipo de investigadores, “exponer el H2O común a diferentes condiciones de temperatura y presión puede dar lugar a más de 20 fases distintas”, una diversidad que sugiere que en otros planetas, como Neptuno, podrían existir formas de hielo completamente ajenas a la experiencia terrestre.

La singularidad de ice XXI radica en su estructura cristalina tetragonal, compuesta por unidades repetitivas de 152 moléculas de agua, lo que la diferencia de todas las fases conocidas hasta ahora.

Por qué hicieron el estudio

El descubrimiento y descripción de Ice XXI surgió en el contexto de experimentos diseñados para explorar el comportamiento del agua bajo presiones extremas.

Los autores buscaban entender cómo el agua líquida responde cuando se la somete a compresión rápida.

Durante estos experimentos, utilizaron técnicas avanzadas para aplicar presión y observar las fases resultantes. Esperaban obtener información sobre las conocidas transiciones entre el agua y los hielos de alta presión, como Ice VI y Ice VII.

Sin embargo, al estudiar muestras de agua comprimidas a 1,6 gigapascales, una unidad de presión utilizada en física y ciencias de materiales, detectaron una fase nueva. Era distinta a las previamente documentadas.

Gracias a mediciones precisas y análisis estructurales, identificaron esta fase inusual, que nombraron Ice XXI.

El contexto experimental, con altas presiones y un control riguroso de las condiciones, permitió observar rutas de transición antes ocultas, al revelar la existencia de esta nueva fase metaestable en el diagrama de fases del agua.

Dónde hicieron los experimentos

Los experimentos se llevaron a cabo en las instalaciones del XFEL Europeo en Alemania, donde los científicos utilizaron una celda de yunque de diamante para someter el agua a presiones de hasta 2 gigapascales (aproximadamente 20.000 veces la presión atmosférica al nivel del mar) en apenas 10 milisegundos.

Posteriormente, liberaron la presión de manera controlada durante un segundo y repitieron el proceso, mientras los rayos X capturaban un millón de imágenes por segundo para analizar los cambios en la estructura cristalina.

Lejos de ser una curiosidad de laboratorio, el descubrimiento de ice XXI abre la puerta a la existencia de otras fases de hielo aún desconocidas en lunas y planetas helados.

Los investigadores afirmaron en un comunicado que “el descubrimiento de ice XXI sugiere que podrían existir otras fases de hielo aún no identificadas en lunas y planetas helados”.

No obstante, la posibilidad de obtener ice XXI en condiciones cotidianas está descartada. “No espere preparar unos cubos de ice XXI en su congelador doméstico, ni en ningún tipo de congelador”, advirtieron los investigadores.

Una de las principales aplicaciones de los resultados está en el desarrollo de modelos atómicos más precisos para el agua y sustancias que la contienen.

“Los presentes resultados serán útiles para el desarrollo de modelos potenciales atómicos precisos de H2O y sustancias que contienen agua (por ejemplo, agua salada y soluciones de proteínas)”, aclararon.

También añaden que brindarán nuevas perspectivas para explorar y diseñar “nuevos materiales funcionales manipulados por vías de transición en muchos otros sistemas de materiales”.

Esto podría beneficiar a campos como la ciencia planetaria, la biología y los materiales avanzados, donde se requiere entender y controlar la formación de fases de hielo bajo diferentes condiciones de presión y temperatura.