Hace tres años, los químicos encontraron evidencia de la existencia de una nueva variedad de hielo. Hasta entonces, se conocían 18 tipos de hielo cristalino. El equipo ahora informa sobre la elucidación de la estructura cristalina del hielo XIX mediante difracción de neutrones.
El hielo es un material muy versátil. En los copos de nieve o en los cubitos de hielo, los átomos de oxígeno están dispuestos en forma hexagonal. Esta forma de hielo se llama hielo uno hielo I ". Estrictamente hablando, sin embargo, estos no son cristales perfectos, sino sistemas desordenados.en el que las moléculas de agua están orientadas aleatoriamente en diferentes direcciones espaciales ", explica Thomas Loerting, del Instituto de Química Física de la Universidad de Innsbruck, Austria. Hasta ahora, incluido el hielo I, se conocían 18 formas cristalinas de hielo, que difieren en la disposiciónde sus átomos. Los diferentes tipos de hielo, conocidos como polimorfos, se forman en función de la presión y la temperatura y tienen propiedades muy diferentes. Por ejemplo, sus puntos de fusión difieren en varios cientos de grados Celsius. "Es comparable al diamante y al grafito, los cualesestán hechos de carbono puro ", explica el químico.
variedad helada
Cuando el hielo I convencional se enfría fuertemente, los átomos de hidrógeno pueden organizarse periódicamente además de los átomos de oxígeno si el experimento se realiza correctamente. Por debajo de menos 200 grados Celsius, esto puede conducir a la formación del llamado hielo XI, enque todas las moléculas de agua están ordenadas de acuerdo con un patrón específico. Tales formas de hielo ordenadas difieren de las formas parentales desordenadas, especialmente en sus propiedades eléctricas. En el trabajo actual, los químicos de Innsbruck se ocupan de la forma parental ice VI, que se forma a altas temperaturaspresión, por ejemplo en el manto de la Tierra. Como el hielo hexagonal, esta forma de hielo de alta presión no es un cristal completamente ordenado. Hace más de 10 años, investigadores de la Universidad de Innsbruck produjeron una variante ordenada por hidrógeno de este hielo, queencontró su camino en los libros de texto como ice XV. Al cambiar el proceso de fabricación, hace tres años, el equipo de Thomas Loerting logró por primera vez crear una segunda forma ordenada para ice VI.Esto, los científicos ralentizaron significativamente el proceso de enfriamiento y aumentaron la presión a alrededor de 20 kbar.Esto les permitió organizar los átomos de hidrógeno de una segunda forma en la red de oxígeno y producir hielo XIX."Encontramos evidencia clara en ese momento de que es una nueva variante ordenada, pero no pudimos dilucidar la estructura cristalina".Ahora su equipo ha logrado hacer precisamente eso utilizando el estándar de oro para la determinación de estructuras: la difracción de neutrones.
Estructura cristalina resuelta
Para aclarar la estructura cristalina, se tuvo que superar un obstáculo técnico esencial. En una investigación que utiliza difracción de neutrones, es necesario reemplazar el hidrógeno ligero en el agua con deuterio "hidrógeno pesado". "Desafortunadamente, esto tambiéncambia las escalas de tiempo para realizar pedidos en el proceso de fabricación de hielo ", dice Loerting." Pero el estudiante de doctorado Tobias Gasser tuvo entonces la idea crucial de agregar un pequeño porcentaje de agua normal al agua pesada, lo que resultó acelerar"Con el hielo obtenido de esta manera, los científicos de Innsbruck finalmente pudieron medir los datos de neutrones en el instrumento HRPD de alta resolución en el Laboratorio Rutherford Appleton en Inglaterra y resolver minuciosamente la estructura cristalina del hielo XIX. Esto requirió un hallazgola mejor estructura cristalina de varios miles de candidatos a partir de los datos medidos, muy parecido a buscar una aguja en un pajar. Un grupo de investigación japonés confirmó el resultado de Innsbruck en otro eExperimente bajo diferentes condiciones de presión.Ambos artículos se han publicado ahora conjuntamente en Comunicaciones de la naturaleza .
Seis formas de hielo descubiertas en Innsbruck
Si bien el hielo y la nieve convencionales son abundantes en la Tierra, no se encuentran otras formas en la superficie de nuestro planeta, excepto en los laboratorios de investigación. Sin embargo, las formas de alta presión hielo VI y hielo VII se encuentran como inclusiones en diamantes y tienenpor lo tanto, ha sido agregado a la lista de minerales por la Asociación Mineralógica Internacional IMA. Muchas variedades de hielo de agua se forman en la inmensidad del espacio bajo condiciones especiales de presión y temperatura. Se encuentran, por ejemplo, en cuerpos celestes como la luna de JúpiterGanimedes, que está cubierto por capas de diferentes variedades de hielo.
Ice XV y Ice XIX representan el primer par de hermanos en la física del hielo en el que la red de oxígeno es la misma, pero el patrón de orden de los átomos de hidrógeno es diferente ". Esto también significa que, por primera vez, ahora será posiblerealizar la transición entre dos formas de hielo ordenadas en experimentos ", Thomas Loerting se complace en informar. Desde la década de 1980, los investigadores de la Universidad de Innsbruck, Austria, ahora son responsables del descubrimiento de cuatro formas de hielo cristalinas y dos amorfas.
El trabajo de investigación actual se llevó a cabo en el marco de la Plataforma de Investigación de Materiales y Nanociencia de la Universidad de Innsbruck y fue financiado por el Fondo Austriaco de Ciencias FWF.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Innsbruck . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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