A través de un experimento diseñado para crear un estado de agua súper frío, los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía utilizaron la dispersión de neutrones para descubrir un camino hacia la formación inesperada de fases densas y cristalinas de hielo que se cree que existen más allá de los límites de la Tierra.
La observación de estas fases de hielo cristalino en particular, conocidas como hielo IX, hielo XV y hielo VIII, desafía las teorías aceptadas sobre el agua sobreenfriada y el hielo amorfo o no cristalino. Los hallazgos de los investigadores, informaron en la revista Naturaleza , también conducirá a una mejor comprensión básica del hielo y sus diversas fases que se encuentran en otros planetas y lunas y en otras partes del espacio.
"El hidrógeno y el oxígeno se encuentran entre los elementos más abundantes en el universo, y el compuesto molecular más simple de los dos, el H2O, es común", dijo Chris Tulk, científico de dispersión de neutrones ORNL y autor principal. "De hecho, una teoría popularsugiere que la mayor parte del agua de la Tierra fue traída aquí a través de colisiones con cometas helados "
En la Tierra, cuando las moléculas de agua alcanzan cero grados Celsius, entran en un estado de energía más baja y se asientan en una red cristalina hexagonal. Esta forma congelada se denota como hielo Ih, la fase más común del agua que se puede encontrar en los congeladores domésticos oen pistas de patinaje
Hielo IX, hielo XV y hielo VIII son tres de al menos 17 fases de hielo realizadas cuando las moléculas se reorganizan en una estructura cristalina estable a temperaturas muy bajas y presiones muy altas, condiciones que no ocurren naturalmente en la Tierra.
"A medida que el hielo cambia de fase, es similar al agua que pasa de un gas a un líquido a un sólido, excepto a bajas temperaturas y alta presión; el hielo se transforma entre varias formas sólidas diferentes", dijo Tulk.
Cada fase de hielo conocida se caracteriza por su estructura cristalina única dentro de su rango de estabilidad presión-temperatura, donde las moléculas alcanzan el equilibrio y las moléculas de agua exhiben un patrón tridimensional regular, y la estructura se estabiliza.
Inicialmente, Tulk y sus colegas del Consejo Nacional de Investigación de Canadá y de la Universidad de California en Los Ángeles estaban explorando la naturaleza estructural del hielo amorfo, un estado de hielo que se forma sin una estructura cristalina ordenada, a medida que se recristaliza enpresiones aún más altas.
Para hacer hielo amorfo, los científicos congelan el agua en un dispositivo de alta presión que se enfría a menos 173 grados Celsius y se presuriza a aproximadamente 10,000 atmósferas, o 147,000 libras por pulgada cuadrada las llantas de los automóviles se inflan a aproximadamente 32 libras por pulgada cuadrada.
"Se cree que este tipo de hielo amorfo está relacionado con el agua líquida, y entender que ese vínculo era el propósito original de este estudio", dijo Tulk.
En la fuente de neutrones de espalación de ORNL, el equipo congeló una esfera de tres milímetros, o aproximadamente media gota, de agua deuterada, que tiene un neutrón adicional en el núcleo de hidrógeno necesario para el análisis de dispersión de neutrones. Luego, programaron los neutrones de espalación yDifractómetro de presión, o SNAP, a menos 173 grados C. El instrumento aumentó la presión de forma incremental cada dos horas hasta 411,000 libras por pulgada cuadrada, o alrededor de 28,000 atmósferas mientras recolectaba datos de dispersión de neutrones entre cada aumento de presión.
"Una vez que logramos hielo amorfo, planeamos elevar la temperatura y la presión y observar el orden molecular local a medida que el hielo amorfo 'se derrite' en un líquido sobreenfriado y luego se recristaliza", dijo Tulk. Sin embargo, después de analizar los datos,se sorprendieron al saber que no habían creado hielo amorfo, sino más bien una secuencia de transformaciones cristalinas a través de cuatro fases de hielo con densidad cada vez mayor: del hielo Ih al hielo IX al hielo XV al hielo XIII. No hubo evidencia de hielo amorfo entodas.
"He hecho muchas de estas muestras siempre comprimiendo hielo a baja temperatura", dijo el coautor Dennis Klug del Consejo Nacional de Investigación de Canadá, el laboratorio que descubrió originalmente la amorfización del hielo inducida por la presión en 1984. "Nunca antes había visto que esta ruta de presión-temperatura produjera una serie de formas cristalinas como esta ".
"Si los datos de nuestro experimento fueran ciertos, significaría que el hielo amorfo no está relacionado con el agua líquida, sino que es una transformación interrumpida entre dos fases cristalinas, una desviación importante de la teoría ampliamente aceptada", agregó Klug.
Al principio, el equipo pensó que su observación era el resultado de una muestra contaminada.
Tres experimentos más con muestras frescas y cuidadosamente manipuladas en SNAP produjeron resultados idénticos, reconfirmando la secuencia de transformación estructural sin formación de hielo amorfo.
La clave fue la lenta tasa de aumento de la presión y la recopilación de datos a una presión más baja que permitió que la estructura del hielo se relajara y se convirtiera en la forma estable de hielo IX. Los experimentos anteriores pasaron rápidamente sobre la estructura del hielo IX sin relajación, esto resultó enfase amorfa.
Durante 35 años, los científicos han estado investigando las propiedades del agua súper fría y buscando lo que se conoce como el segundo punto crítico, que está enterrado dentro de las fases de hielo sólido. Pero estos resultados cuestionan su propia existencia ". La relación entre la presióninducido por el amor y el hielo amorfo ahora está en duda, y el segundo punto crítico puede que ni siquiera exista ", dijo Tulk.
"Los resultados de este documento formarán la base del análisis de futuros estudios de las fases de hielo amorfo durante los próximos experimentos realizados en el SNS", agregó.
Los coautores del estudio titulado "Ausencia de formas amorfas cuando el hielo se comprime a baja temperatura" incluyeron a Chris A. Tulk y Jamie J. Molaison de ORNL; Adam Makhluf y Craig E. Manning de UCLA; y Dennis DKlug de la NRC de Canadá.
Las mediciones experimentales se realizaron en la fuente de neutrones Spallation de ORNL, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE, utilizando el difractómetro de presión y neutrones de espalación. La investigación fue respaldada por la Oficina de Ciencia del DOE y el Observatorio de Carbono Profundo de la Fundación Sloan, una comunidad global de másde 1,000 científicos que trabajan para comprender mejor las cantidades, movimientos, formas y orígenes del carbono dentro de la Tierra.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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