El agua tiene muchas fases de hielo que se forman bajo diferentes condiciones de presión y temperatura. Los efectos de la presión positiva se han explorado ampliamente, con los resultados algo predecibles: a medida que aumenta la presión, también lo hace la densidad del hielo.
Sin embargo, se sabe mucho menos acerca de los efectos de la presión negativa extrema sobre las moléculas de agua. Explorando una región significativa de presión negativa a través de simulaciones dinámicas moleculares, los investigadores ahora han descubierto teóricamente una nueva familia de fases de hielo. Llamados aerocios, estos hielos tienenla menor densidad de todos los cristales de hielo conocidos. Los investigadores, de la Universidad de Okayama en Japón, informan sus hallazgos esta semana en El diario de la física química , de AIP Publishing.
"Nuestra investigación, que examina toda una región de presión negativa por primera vez, proporciona un paso importante para explorar este vasto e intrincado territorio en el diagrama de fases", dijo Masakazu Matsumoto, profesor asociado del Instituto de Investigación para la Ciencia Interdisciplinariaen la Universidad de Okayama y coautor del artículo: "Los hielos con menor densidad que el hielo normal también son múltiples [de muchos tipos]".
Se espera que el descubrimiento acelere la comprensión de las propiedades fundamentales y el comportamiento del agua en nanotubos y otros nanoporos, así como en biomoléculas.
Se han encontrado diecisiete fases de hielo experimentalmente, cada una numerada en el orden de su descubrimiento. Solo dos hielos tienen menor densidad que el hielo normal.
En 2014, un equipo de investigación descubrió una fase de hielo que se forma bajo presión negativa: hielo XVI. Las moléculas del hielo forman una estructura de zeolita, una jaula cristalina tridimensional, en la cual las moléculas o átomos invitados quedan atrapados dentro.Se eliminaron moléculas partículas de neón en este caso, lo que resultó en un hielo estable de densidad ultrabaja a altas presiones negativas. Utilizando una técnica similar, otro grupo de investigadores descubrió el hielo XVII en 2016.
Los investigadores de la Universidad de Okayama mapearon todas las posibles fases de hielo que aún podrían explorarse en la región de presión negativa. Sabiendo que la estructura de sílice SiO2 y hielo son comunes, recuperaron 200 zeolitas de sílice de la Base de Datos de Zeolita, que se administra a través de la Asociación Internacional de Zeolita. En total, se evaluaron más de 300 estructuras.
Los investigadores reorganizaron los átomos en la estructura de SiO2, eliminando los dos átomos de oxígeno y reemplazando el átomo de silicio en cada molécula con un átomo de oxígeno. Luego, los átomos de hidrógeno se agregaron para que la estructura obedeciera la regla del hielo.
En el rango de densidad que es solo alrededor de la mitad del agua líquida ~ 0.5 g / cm ^ 3, los investigadores demostraron que la fase de hielo recién descubierta es más estable que cualquier hielo de zeolita investigado hasta ahora. Los investigadores simularon aún menosestructuras de hielo densas, entre 0 y 0,5 gramos por centímetro cúbico, al agregar bloques de construcción poliédricos a los marcos zeolíticos para hacer que la estructura sea más escasa mientras se cumple la regla estructural para el hielo.
"Estas nuevas estructuras son los aeroices", dijo Matsumoto, "y pueden ser más estables que cualquier hielo zeolítico en ciertas condiciones termodinámicas bajo presión negativa".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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