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El hielo es uno de los temas más estudiados en la física del estado sólido pero, a pesar de los miles de artículos académicos publicados hasta el momento, hay mucho que aún no sabemos. El agua se puede congelar de innumerables formas, dependiendo de la presión y la temperatura, para simplificar las cosas. En la superficie de este planeta, el agua cristaliza de una sola manera. Ya sea en un cubo de hielo en su bebida o en un glaciar en el Ártico, todo es el mismo hielo hexagonal o hielo en H, como lo conocen los físicos. Pero ahora los investigadores han descubierto por primera vez que el agua se cristaliza en el hielo siete, una forma exótica de hielo que se encuentra naturalmente en ambientes alienígenas.

Crédito: Pixabay.

En Cats Cradle de Kurt Vonnegut, un favorito personal, el narrador rastrea a los hijos de Felix Hoenikker, un físico ficticio ganador del premio Nobel que ayudó a desarrollar la bomba atómica, para poder terminar su libro sobre el científico. Nuestro héroe eventualmente termina en la isla caribeña de San Lorenzo, uno de los países más pobres del mundo, gobernado por un dictador local llamado Papa Monzano. Una vez en la isla, su destino se entrelaza con el de las personas más influyentes de la isla a medida que la historia se convierte en desconcierto. Las cosas suceden tan rápido que el narrador finalmente se convierte en el gobernante de San Lorenzo. El gran giro de la trama, sin embargo, es el secreto de Papa: un vial de Ice-Nine, una forma cristalina de agua tan estable que, en términos prácticos, nunca se derretiría. Después de la muerte de Papá, Ice-Nine se liberó en el medio ambiente, cristalizando toda el agua en la Tierra, encerrándola en la configuración de Ice-Nine.

No había olores. No hubo movimiento. Cada paso que daba hacía un chirrido de grava en la escarcha blanca azulada. Y cada chirrido se hizo eco en voz alta. La temporada de bloqueo había terminado. La Tierra estaba encerrada herméticamente.

Ice-nine es un material ficticio concebido en la novela Cats Cradle de Kurt Vonnegut. Crédito: Tammany6.

Ice Nine en realidad existe, aunque no en la forma en que Vonnegut lo describió en su libro. Ice-IX fue descubierto en 1968 y solo existe bajo alta presión. el hermano de Vonnegut, quien obtuvo un doctorado en química física del MIT; y artículos publicados sobre yoduro de plata y formación de hielo (siembra de nubes), probablemente sirvieron de inspiración.

Puede que Ice-VII (Ice Seven) no sea tan intenso como el ficticio Ice-Nine, pero eso no lo hace menos emocionante. Al igual que Ice-Nine, Ice-Seven es estable a temperatura ambiente, pero también necesita agua líquida por encima de 3 GPa. Aunque no se puede encontrar de forma natural en la Tierra, los científicos creen que Ice-Seven es el constituyente de los planetas gigantes y las lunas heladas.

Estos experimentos con agua son los primeros de su tipo y nos permiten presenciar una transición fundamental de desorden a orden en una de las moléculas más abundantes del universo, dijo la autora principal del estudio, Arianna Gleason, becaria postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Los Álamos.

El enfriador más rápido

Debido a que los cambios de fase pueden ocurrir más rápido que un abrir y cerrar de ojos y en la pequeña escala de meros átomos, siempre ha sido un desafío para los científicos capturar esta acción momento a momento. Lo que demuestra nuestro nuevo estudio, y que no se había hecho antes, es la capacidad de ver cómo se forma la estructura del hielo en tiempo real, dijo la autora principal del estudio, Wendy Mao, profesora asociada de ciencias geológicas y del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford (SIMES). ) investigador principal.

Configuración experimental de la sonda XFEL y láser óptico. Crédito: Cartas de Revisión Física.

El equipo superó las minuciosas escalas de tiempo involucradas en la transformación de fase gracias a la fuente de luz coherente Linac, el láser de rayos X más poderoso del mundo ubicado en el cercano Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC. Esta máquina dispara un láser de color verde que vaporiza capas de diamantes en un lado del objetivo (agua líquida) produciendo una fuerza similar a la de un cohete que exprime el agua a una presión superior a 50.000 veces la de la atmósfera terrestre al nivel del mar.

Se dispara un rayo láser separado justo cuando el agua se compacta desde otro instrumento llamado láser de electrones libres de rayos X. El haz se compone de pulsos muy cortos y brillantes que duran solo un femtosegundo o una milmillonésima de segundo. Es este láser estroboscópico de rayos X el que finalmente registró la cristalización del agua molécula por molécula, como un libro animado. Según el artículo publicado en Physical Review Letters , el cambio de fase tomó solo seis nanosegundos durante los cuales las moléculas de agua se unieron en forma de varilla. Anteriormente, algunos físicos sugirieron que las moléculas se unían en esferas.

La misma configuración experimental podría usarse para explorar la cristalización del agua bajo una miríada de escenarios de presión y temperatura. Específicamente, en el caso de Ice-Seven, el nuevo conocimiento ayudará a los científicos a crear mejores modelos de entornos alienígenas como la luna Europa de Júpiter, pero también eventos remotos como los impactos de cometas.

Cualquier satélite helado o interior planetario está íntimamente conectado con la superficie de los objetos, dijo Gleason. Conocer estos interiores helados nos ayudará a comprender cómo se formaron los mundos de nuestro sistema solar y cómo al menos uno de ellos, hasta donde sabemos, llegó a tener todas las características necesarias para la vida.

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