Fragmento de la estructura cristalina del hielo con átomos de oxígeno (azules) y átomos de hidrógeno (en rosa). Los átomos de hidrógeno separados de la molécula de agua son dorados. Imagen: Oak Ridge National Laboratory. Fuente: Carnegie Institution of Science.
Usando nuevas técnicas revolucionarias, un equipo de científicos liderado por Malcolm Guthrie, de la Carnegie Institution for Science de Estados Unidos, ha hecho un sorprendente descubrimiento sobre cómo se comporta el hielo bajo presión.
El hallazgo desafía ideas sostenidas durante casi 50 años y podría modificar nuestra comprensión sobre cómo responden las moléculas del agua sometidas a las condiciones existentes en las regiones más profundas de los planetas, así como tener implicaciones para los sistemas energéticos. El descubrimiento ha sido publicado en Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).
Observar directamente las moléculas
Cuando el agua se congela y se convierte en hielo, sus moléculas permanecen unidas entre sí por los enlaces entre sus átomos de hidrógeno (cada molécula de agua contiene dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno), generando una red cristalina.
Estos enlaces son muy versátiles, por lo que el hielo cristalino presenta una sorprendente diversidad, con al menos 16 estructuras diferentes. En todas estas formas del hielo, el “ladrillo” fundamental es la molécula H2O simple.
Sin embargo, en 1964 se predijo que, bajo suficiente presión, estos enlaces podrían fortalecerse hasta el punto de desintegrar la molécula de agua.
La posibilidad de observar directamente las moléculas de agua helada disociadas ha atraído desde entonces mucho a los científicos, y ha propiciado amplias investigaciones. A mediados de los 90 del siglo pasado, varios grupos de investigación, entre ellos el de la Carnegie Institution, observaron esta transición usando técnicas espectroscópicas.
Pero estas técnicas, con las que se observa la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, son indirectas y pueden revelar sólo una parte de la imagen de lo sucedido.
Un método de observación más adecuado implicaría “mirar” los átomos de hidrógeno –o a sus protones- directamente. Esto podría conseguirse haciendo rebotar neutrones sobre el hielo para medir luego cuidadosamente su dispersión. Sin embargo, la aplicación de esta técnica a presiones lo suficientemente altas como para ver cómo se disocian las moléculas de agua no había sido posible hasta ahora.
Guthrie explica que: "Sólo se podría llegar a estas presiones extremas con muestras de hielo muy pequeñas. Pero, por desgracia, esto hace que los átomos de hidrógeno resulten muy difícil de ver”.
El hallazgo desafía ideas sostenidas durante casi 50 años y podría modificar nuestra comprensión sobre cómo responden las moléculas del agua sometidas a las condiciones existentes en las regiones más profundas de los planetas, así como tener implicaciones para los sistemas energéticos. El descubrimiento ha sido publicado en Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).
Observar directamente las moléculas
Cuando el agua se congela y se convierte en hielo, sus moléculas permanecen unidas entre sí por los enlaces entre sus átomos de hidrógeno (cada molécula de agua contiene dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno), generando una red cristalina.
Estos enlaces son muy versátiles, por lo que el hielo cristalino presenta una sorprendente diversidad, con al menos 16 estructuras diferentes. En todas estas formas del hielo, el “ladrillo” fundamental es la molécula H2O simple.
Sin embargo, en 1964 se predijo que, bajo suficiente presión, estos enlaces podrían fortalecerse hasta el punto de desintegrar la molécula de agua.
La posibilidad de observar directamente las moléculas de agua helada disociadas ha atraído desde entonces mucho a los científicos, y ha propiciado amplias investigaciones. A mediados de los 90 del siglo pasado, varios grupos de investigación, entre ellos el de la Carnegie Institution, observaron esta transición usando técnicas espectroscópicas.
Pero estas técnicas, con las que se observa la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, son indirectas y pueden revelar sólo una parte de la imagen de lo sucedido.
Un método de observación más adecuado implicaría “mirar” los átomos de hidrógeno –o a sus protones- directamente. Esto podría conseguirse haciendo rebotar neutrones sobre el hielo para medir luego cuidadosamente su dispersión. Sin embargo, la aplicación de esta técnica a presiones lo suficientemente altas como para ver cómo se disocian las moléculas de agua no había sido posible hasta ahora.
Guthrie explica que: "Sólo se podría llegar a estas presiones extremas con muestras de hielo muy pequeñas. Pero, por desgracia, esto hace que los átomos de hidrógeno resulten muy difícil de ver”.
Agua en estado sólido. Fuente: Wikimedia Commons.
Resultados obtenidos hasta ahora
En 2006, se inauguró el Spallation Neutron Source del Oak Ridge National Laboratory de Tennessee, un acelerador de partículas capaz de proporcionar una fuente nueva y muy brillante de neutrones.
Mediante el diseño de una nueva clase de herramientas optimizadas para aprovechar este flujo sin igual de neutrones, Guthrie y sus colaboradores en dicho Laboratorio consiguieron realizar la primera “visión” de átomos de hidrógeno en hielo a presiones sin precedentes, de más de 500.000 veces la presión atmosférica. “Los neutrones nos cuentan una historia que otras técnicas no pudieron contar”, explican los científicos.
Los resultados obtenidos han indicado que la disociación de las moléculas de agua sigue dos mecanismos diferentes. Algunas de las moléculas comienzan a disociarse a presiones mucho más bajas y por un camino diferente al previsto en el artículo clásico de 1964.
"Nuestros datos pintan un cuadro totalmente nuevo del hielo", asegura Guthrie. Los resultados obtenidos “no sólo tendrían amplias consecuencias para la comprensión de los enlaces de la molécula H2O, sino que, además, podrían respaldar una propuesta teórica anterior que señalaba que los protones presentes en el interior del hielo de los planetas pueden ser móviles, incluso mientras el hielo se mantenga sólido."
Este sorprendente descubrimiento inicial podría ser sólo el comienzo de descubrimientos científicos futuros, opinan los investigadores. Según ellos ser capaces de “ver” el hidrógeno con neutrones no es sólo importante para estudiar el hielo.
Sus aplicaciones podrían extenderse más allá, a otros campos esenciales para la sociedad actual, como el de la energía. Por ejemplo, la técnica podría proporcionar una mayor comprensión de los hidratos de metano, que son moléculas de metano en estructuras de moléculas de agua que constituyen una fuente energética alternativa de gran proyección mundial; e incluso de los materiales de almacenamiento del hidrógeno que algún día podrían llegar a propulsar automóviles, aseguran los autores del descubrimiento.
En 2006, se inauguró el Spallation Neutron Source del Oak Ridge National Laboratory de Tennessee, un acelerador de partículas capaz de proporcionar una fuente nueva y muy brillante de neutrones.
Mediante el diseño de una nueva clase de herramientas optimizadas para aprovechar este flujo sin igual de neutrones, Guthrie y sus colaboradores en dicho Laboratorio consiguieron realizar la primera “visión” de átomos de hidrógeno en hielo a presiones sin precedentes, de más de 500.000 veces la presión atmosférica. “Los neutrones nos cuentan una historia que otras técnicas no pudieron contar”, explican los científicos.
Los resultados obtenidos han indicado que la disociación de las moléculas de agua sigue dos mecanismos diferentes. Algunas de las moléculas comienzan a disociarse a presiones mucho más bajas y por un camino diferente al previsto en el artículo clásico de 1964.
"Nuestros datos pintan un cuadro totalmente nuevo del hielo", asegura Guthrie. Los resultados obtenidos “no sólo tendrían amplias consecuencias para la comprensión de los enlaces de la molécula H2O, sino que, además, podrían respaldar una propuesta teórica anterior que señalaba que los protones presentes en el interior del hielo de los planetas pueden ser móviles, incluso mientras el hielo se mantenga sólido."
Este sorprendente descubrimiento inicial podría ser sólo el comienzo de descubrimientos científicos futuros, opinan los investigadores. Según ellos ser capaces de “ver” el hidrógeno con neutrones no es sólo importante para estudiar el hielo.
Sus aplicaciones podrían extenderse más allá, a otros campos esenciales para la sociedad actual, como el de la energía. Por ejemplo, la técnica podría proporcionar una mayor comprensión de los hidratos de metano, que son moléculas de metano en estructuras de moléculas de agua que constituyen una fuente energética alternativa de gran proyección mundial; e incluso de los materiales de almacenamiento del hidrógeno que algún día podrían llegar a propulsar automóviles, aseguran los autores del descubrimiento.
Referencia bibliográfica:
Malcolm Guthrie et al. Neutron diffraction observations of interstitial protons in dense ice. PNAS (2013).
Malcolm Guthrie et al. Neutron diffraction observations of interstitial protons in dense ice. PNAS (2013).