El agua es vital para la vida en la Tierra y su importancia simplemente no puede ser exagerada; también está profundamente arraigado en nuestra conciencia que hay algo extremadamente especial en ello. Sin embargo, desde un punto de vista científico, queda mucho por saber sobre el agua ysus muchas fases sólidas, que muestran una gran cantidad de propiedades inusuales y las llamadas anomalías que, si bien son fundamentales para la importancia química y biológica del agua, a menudo se consideran controvertidas.
Esto inspiró a los investigadores del University College de Londres y la Universidad de Oxford a buscar una mejor comprensión del agua y el hielo como materiales, lo que tiene un impacto de gran alcance en muchas áreas de investigación. En un artículo en El diario de la física química , de AIP Publishing, informan su trabajo sobre el ordenamiento del hidrógeno de la fase desordenada de hielo VI en relación con su contraparte ordenada de hielo XV.
"Cada vez que el agua líquida se congela, solo sus átomos de oxígeno terminan en posiciones fijas", explicó Christoph G. Salzmann, profesor asociado y miembro de la Royal Society Research Fellow, Departamento de Química, University College London. "Los átomos de hidrógeno permanecen desordenados -así que llamamos a estas fases de hielo 'hidrógeno desordenado'. Al enfriarse, se espera que los átomos de hidrógeno se ordenen y generen helados ordenados por hidrógeno. Sin embargo, este proceso es difícil porque las reorientaciones de las moléculas de agua unidas por hidrógeno son altamente cooperativas"
Para ayudar a explicar el concepto, utilizó un juego de fichas como analogía.
"Pasar del desorden al orden es un trabajo difícil porque las baldosas no se pueden mover de forma independiente, similar a la situación en el hielo", dijo. "Pero, hace unos años, descubrimos que agregar una pequeña cantidad de ácido clorhídricoayuda dramáticamente a lograr el orden del hidrógeno a bajas temperaturas "
El ácido clorhídrico es el "ingrediente mágico" que acelera las reorientaciones de las moléculas de agua.
El hielo VI y el hielo XV son fases de hielo a alta presión que se forman a aproximadamente 10,000 atmósferas ". La estructura del hielo XV ha sido tema de viva discusión científica durante años", dijo Salzmann. "Una variedad de diferentes y,en parte, se han sugerido modelos contradictorios a partir de datos experimentales, incluido un estudio previo de nuestro grupo, así como estudios computacionales ".
Para este trabajo, los investigadores recurrieron a la difracción de neutrones para analizar la estructura del hielo XV y su formación a partir del hielo VI. "El uso de neutrones es importante porque los rayos X son esencialmente" ciegos "hacia los átomos de hidrógeno", dijo Salzmann ".resuelva completamente la estructura del hielo XV, realmente necesitamos saber dónde se encuentran los átomos de hidrógeno: los neutrones son esenciales ".
El trabajo del grupo representa un cambio importante en la comprensión del hielo XV que consolida gran parte de su trabajo anterior. "Primero, hemos demostrado usando difracción de neutrones en el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología de ISIS en el Reino Unido que el hielo se contrae en dos", explicó." Utilizando los cálculos de la teoría funcional de la densidad, podemos mostrar que solo un modelo estructural particular del hielo XV es consistente con estos cambios ".
Por cierto, esta estructura también es la que el grupo propuso a partir de su análisis en profundidad de los datos de neutrones.
"Este acuerdo entre el experimento y los cálculos es genial, en particular, porque ha habido opiniones contradictorias con respecto al hielo XV", agregó. "El volumen general del hielo aumenta durante la transición de fase, lo que finalmente explica por qué se observa la transiciónmás fácilmente a presión ambiental que a presiones más altas, comportamiento que nos ha desconcertado durante mucho tiempo ".
Otro punto clave, presentado en su artículo, es un nuevo programa de computadora llamado "RandomIce", que ha producido la mejor descripción estructural del hielo XV hasta la fecha. "Hemos presentado la preparación del hielo XV más ordenado hasta la fecha,pero no hemos logrado un estado completamente ordenado ", dijo Salzmann.
RandomIce permite preparar modelos moleculares a gran escala, que el grupo llama "supercélulas". Estos son consistentes con la estructura promedio obtenida de los datos de difracción, y esencialmente RandomIce está "jugando" el juego de fichas descrito anteriormente hasta el mejor acuerdo con else logran datos de difracción. "Para hacer esto, se necesitaron más de 100 millones de 'movimientos de baldosas'", señaló Salzmann.
El trabajo del grupo abre la puerta al desarrollo de modelos informáticos más precisos del agua que pueden beneficiar a una amplia gama de disciplinas, desde biología y química hasta geología y ciencias atmosféricas.
Además, ahora es posible "aclarar en qué forma se espera que ocurra hielo bajo ciertas condiciones de presión y temperatura dentro de lunas y planetas helados", dijo Salzmann.
¿Qué sigue para los investigadores?
"Todavía hay una pregunta abierta sobre por qué no podemos lograr el orden completo en el hielo XV", dijo Salzmann. "Ya hemos comenzado un nuevo trabajo experimental para explorar cómo cambian las propiedades del hielo dentro de los nanoconfinemientos y la presencia de especies químicas- porque estamos interesados en comprender el complejo comportamiento del hielo en los cometas y en nuestra atmósfera "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física AIP . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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