Los físicos están encontrando formas de hielo más extrañas de lo esperado

El estado sólido del agua resulta ser mucho menos simple de lo que parece

El hielo puede parecer familiar en una bandeja del congelador o en un lago invernal, pero los físicos lo están tratando cada vez más como uno de los materiales más sorprendentes de la naturaleza. Según un nuevo informe de Quanta Magazine, los científicos han identificado tres tipos nuevos de hielo solo en el último año, incluidos dos de las fases de hielo más complejas observadas hasta ahora. Los descubrimientos amplían un catálogo en crecimiento que ya incluye más de 20 fases conocidas de hielo cristalino.

La historia no es solo que existan muchos tipos de hielo. Es que el agua parece capaz de organizarse por sí misma en una gama extraordinaria de estructuras sólidas bajo distintas condiciones. Los investigadores afirman ahora que simulaciones por computadora han predicho decenas de miles de formas posibles de hielo. Eso no significa que todas vayan a encontrarse en el laboratorio o en la naturaleza, pero sí sugiere que los científicos han estado trabajando con un espacio de fases mucho más rico de lo que permitían las suposiciones anteriores.

Por qué el hielo sigue sorprendiendo a los físicos

La razón está en la geometría del agua. Quanta describe cada molécula de agua como un átomo de oxígeno unido a dos átomos de hidrógeno, con dos pares de electrones libres que extienden la forma efectiva de la molécula en algo con cuatro brazos separados por fuerzas electromagnéticas. Esa estructura le da al agua una flexibilidad inusual para organizarse en arreglos cristalinos repetitivos.

En el hielo ordinario, esas moléculas forman una estructura hexagonal espaciosa. Ese arreglo abierto hace que el hielo común sea menos denso que el agua líquida, razón por la cual el hielo flota y los lagos se congelan de arriba hacia abajo. Pero bajo presión, el agua puede comprimirse en patrones muy distintos. Cambia la temperatura, cambia la presión o cambia la rapidez con que se aplican esas condiciones, y las moléculas pueden asentarse en nuevos estados cristalinos.

Marius Millot, del Lawrence Livermore National Laboratory, le dijo a Quanta que incluso cambios sutiles en la forma en que se comprime el agua pueden revelar un comportamiento completamente inesperado. Ese comentario ayuda a explicar por qué el campo se ha acelerado. A medida que los investigadores mejoran las técnicas experimentales y abandonan supuestos anteriores, están descubriendo estructuras que antes quedaban ocultas por la dificultad de producirlas o detectarlas.

Tres formas nuevas en un año

El informe dice que se han descubierto tres tipos nuevos de hielo en el último año. Dos de ellos se encuentran entre las fases más complejas observadas hasta ahora. Chris Pickard, de la Universidad de Cambridge, describió el periodo actual como extraordinario y dijo que los investigadores están encontrando muchas más de estas estructuras.

Esa velocidad importa porque cada nueva fase pone a prueba y afina las predicciones teóricas. El agua ha sido durante mucho tiempo famosa por comportarse de forma extraña en comparación con materiales más simples. A medida que crece la lista de formas de hielo verificadas, los físicos obtienen una mejor manera de comprobar si sus simulaciones capturan las verdaderas posibilidades de organización molecular bajo condiciones extremas.

El inventario en expansión también cambia el tono del campo. En lugar de tratar las fases inusuales del hielo como rarezas, los científicos las están considerando cada vez más como parte de un paisaje más amplio que todavía está solo parcialmente cartografiado. Si las simulaciones que apuntan a enormes cantidades de formas posibles son siquiera aproximadamente correctas, los descubrimientos actuales podrían representar una etapa temprana y no una conclusión.

Más allá de la Tierra, el hielo exótico podría ser común

Una razón por la que estos hallazgos importan es que el hielo poco común en la Tierra puede no ser poco común en otros lugares. Quanta señala que el hielo exótico podría existir en entornos que van desde colas de cometas frías y amorfas hasta los interiores calientes y aplastantes de planetas helados. En otras palabras, el estudio en laboratorio de las fases extremas del agua también es una forma de pensar sobre el interior de los planetas y las condiciones fuera de la Tierra.

Eso amplía la relevancia de lo que de otro modo sonaría como una historia de nicho sobre ciencia de materiales. El agua es una de las sustancias más familiares en la vida cotidiana, pero su comportamiento bajo condiciones alienígenas podría ayudar a los investigadores a entender lugares físicamente inaccesibles. Cuanto más completo sea el mapa de las posibles fases del hielo, mejor podrán los científicos interpretar lo que ocurre dentro de mundos lejanos donde presión y temperatura se combinan de formas inusuales.

La expresión “space oddity” del informe de Quanta captura bien ese cruce. El hielo no es solo un material doméstico ni siquiera solo geofísico. Cada vez más es un material planetario cuyas formas extrañas pueden formar parte de la arquitectura del sistema solar.

Un campo abierto por mejores métodos

La historia también subraya cuánto depende el descubrimiento del método. El informe atribuye el progreso reciente a técnicas experimentales mejoradas y a la disposición de dejar atrás suposiciones obsoletas. El agua siempre ha tenido la misma estructura molecular. Lo que cambió fue la capacidad de los científicos para llevarla a nuevos regímenes e identificar lo que se formaba allí.

Así es como suelen avanzar los campos científicos maduros. Un material que todos creen conocer vuelve a resultar desconocido cuando mejoran las herramientas. En este caso, los investigadores están descubriendo que el agua bajo presión no solo se comporta de manera diferente en grado. Puede organizarse de forma diferente en especie.

Por tanto, los descubrimientos representan más que añadidos a un catálogo. Marcan un cambio en lo abierta que ahora parece ser la física del hielo. La imagen del hielo como una sustancia única o en gran medida ya resuelta da paso a la de una familia amplia de posibilidades cristalinas.

El significado mayor de una sustancia simple

Hay algo científicamente útil y filosóficamente llamativo en la idea de que una de las moléculas más conocidas de la Tierra siga ofreciendo sorpresas fundamentales. El agua sigue siendo central para la química, el clima, la biología y la ciencia planetaria. Sin embargo, sus formas sólidas aún se están descubriendo a un ritmo que los propios expertos consideran notable.

Por eso los últimos descubrimientos importan más allá de sus detalles técnicos inmediatos. Muestran que incluso en materiales familiares, la estructura puede esconderse a plena vista hasta que las condiciones e instrumentos adecuados la revelan. Con tres tipos nuevos de hielo informados en el último año, y simulaciones que sugieren que podría haber muchos más, los físicos no solo están afinando la ciencia del hielo. La están reabriendo.

Este artículo se basa en la cobertura de Quanta Magazine. Leer el artículo original.