Utilizando nuevas técnicas revolucionarias, un equipo dirigido por Malcolm Guthrie de Carnegie ha hecho un descubrimiento sorprendente acerca de cómo se comporta el hielo bajo presión. El descubrimiento cambia las ideas que datan de hace casi 50 años.
Sus hallazgos podrían modificar nuestra comprensión de cómo las moléculas de H2O responden a las condiciones que se encuentran en lo profundo de los planetas, y podrían ser de importancia en la ciencia energética.
La imagen muestra un fragmento de la estructura cristalina del nuevo hielo, en la que los átomos de oxígeno se muestran en azul y los átomos de hidrógeno molecular en rosado.
Los átomos de hidrógeno que han salido de las moléculas de H2O se muestran en dorado.
Estos parecen encontrarse en los huecos poliédricos en la celosía de oxígeno
(una de las cuales está sombreada de color gris claro).
Anteriormente, se creía que estos vacíos se mantenían aún después de que la molécula se rompía a grandes presiones.
Cuando el H2O, más conocido como agua, se congela en hielo, sus moléculas se unen entre sí en una celosía cristalina que se mantiene unida por enlaces de hidrógeno. Los enlaces de hidrógeno son muy versátiles y, como resultado, el hielo cristalino revela una sorprendente diversidad de al menos 16 estructuras diferentes.
En todas estas formas de hielo, la simple molécula de H2O es el componente básico universal. Sin embargo, en 1964 se predijo que, bajo la presión suficiente, los enlaces de hidrógeno podrían fortalecerse al punto de que podrían romper la molécula de H2O. La posibilidad de hacer una observación directa de una molécula de H2O disociada en el hielo ha demostrado ser una atracción fascinante para los científicos, y ha impulsado una amplia gama de investigaciones durante los últimos 50 años. A mediados de la década de 1990 varios equipos, entre ellos un grupo de Carnegie, observaron la transición mediante técnicas espectroscópicas. Sin embargo, estas técnicas son indirectas y sólo lograron revelar parte de la imagen.
Un método preferido es el de “ver” directamente los átomos de hidrógeno o protones. Esto se puede lograr al hacer rebotar neutrones en hielo y luego medir cuidadosamente cómo se dispersan. Sin embargo, la aplicación de esta técnica a presiones lo suficientemente altas como para ver como se disocia la molécula de H2O, simplemente no había sido posible en el pasado.
Por medio de avanzados equipos de laboratorio, Guthrie y su equipo han obtenido el primer vistazo de los átomos de hidrógeno en el hielo, a presiones sin precedentes de más de 500 000 veces la presión atmosférica.
Los resultados indican que la disociación de moléculas de H2O sigue dos mecanismos diferentes. Algunas de las moléculas comienzan a disociarse a presiones mucho más bajas, y a través de un camino diferente de lo que se predijo en el artículo clásico de 1964.
“Nuestros datos pintan un cuadro totalmente nuevo del hielo”, comenta Guthrie. “Los resultados no solo tienen amplias consecuencias para la comprensión de los enlaces en el H2O, sino que las observaciones también pueden apoyar una teoría que anteriormente se había propuesto, según la cual, los protones en el hielo en el interior de los planetas, pueden ser móviles, incluso mientras el hielo se mantiene sólido”.
Las aplicaciones del descubrimiento podrían extenderse a sistemas que son esenciales para la sociedad.
Por ejemplo, la técnica puede proporcionar una mayor comprensión de los hidratos clatratos que contienen metano, y aún de materiales de almacenamiento de hidrógeno que un día podrían dar energía a los automóviles.
