12/06/2013 - Nueva teoría sobre el comportamiento del hielo bajo presión

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Utilizando nuevas técnicasrevolucionarias, un equipo dirigido por Malcolm Guthrie, del Instituto Carnegie (Estados Unidos), ha hecho un descubrimiento sorprendente acerca de cómo se comporta el hielo bajo presión, cambiando ideas que datan de hace casi 50 años.

Sushallazgos podrían modificar nuestra comprensión de cómo las moléculas de agua responden a las condiciones que se encuentran en lo profundo de planetas y podría tener implicaciones para la ciencia de la energía. El resultado de sus trabajos se publican en 'Proceedings of the National Academy of Sciences',

Cuando el agua se congela en hielo, sus moléculas están unidas entre sí en una red cristalina y se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno, que 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 molécula de H2O simple es el componente básico universal. Sin embargo, en 1964 se predijo que, bajo la presión suficiente, los enlaces de hidrógeno podrían fortalecerse hasta tal punto que en realidad podrían romper las moléculas de agua. La posibilidad de la observación directa de una molécula de agua disociada en el hielo ha resultado ser una atracción fascinante para los científicos y ha impulsado una amplia investigación durante los últimos 50 años. A mediados de la década de 1990 varios equipos, entre ellos un grupo de Carnegie, observó la transición mediante técnicas espectroscópicas, pero al tratarse de herramientas indirectas, sólo podrían revelar parte de la imagen.

El método idóneo es el que permite "ver" los átomos de hidrógeno o protones directamente, lo que se puede hacer por el rebote de neutrones fuera del hielo y luego, con cuidado la medición de la forma en que se encuentran dispersos. Sin embargo, la aplicación de esta técnica a presiones lo suficientemente altas para ver cómo las moléculas de agua se disocian simplemente no había sido posible en el pasado. Guthrie explicó: "Sólo se puede llegar a estas presiones extremas si las muestras de hielo son muy pequeñas, pero, por desgracia, esto hace que los átomos de hidrógeno sean muy difíciles de ver".

La Fuente de Neutrones por Spalación (Spallation Neutron Source) se inauguró en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee en 2006, ofreciendo una nueva y brillante fuente de neutrones. Mediante el diseño de una nueva clase de herramientas que fueron optimizadas para aprovechar este flujo sin igual de neutrones, Guthrie y sus compañeros de equipo de Carnegie Russell Hemley, Reinhard Boehler y Kuo Li, así como Chris Tulk, Jamie Molaison y António dos Santos, de Laboratorio Nacional Oak Ridge, lograron obtener el primer vistazo de los átomos de hidrógeno en el hielo en sí a presiones sin precedentes de más de 500.000 veces la presión atmosférica.

"Los neutrones nos cuentan una historia que las otras técnicas no pudieron --dijo Hemley, director del Laboratorio Geofísico de Carnegie--. Los resultados indican que la disociación de moléculas de agua sigue a 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 papel clásico de 1964".

"Nuestros datos pintan un cuadro totalmente nuevo de hielo", afirmó Guthrie. "No sólo los resultados tienen amplias consecuencias para la comprensión de la vinculación en H2O, las observaciones pueden también apoyar una propuesta anteriormente sobre una teoría de que los protones en el hielo en el interior de los planetas pueden ser móviles, incluso mientras el hielo se mantiene sólido".

Tulk concluyó: "Esto es un gran avance técnico que cambia el juego. Las aplicaciones podrían extenderse a sistemas que son esenciales para los retos sociales, como la energía. Por ejemplo, la técnica puede proporcionar una mayor comprensión de metano que contiene hidratos clatratos e incluso materiales de almacenamiento de hidrógeno que puedan accionar automóviles un día".

Y estedescubrimiento sorprendente puede llegar a ser sólo el comienzo de los descubrimientos científicos.

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Estetrabajo fue apoyado por EFree, un centro de investigación perteneciente al Energy Frontier Research Center, financiado por el Departamentode Energía de EE.UU. (DOE), la Oficina de Ciencia, Oficina de Ciencias Básicas de la Energía (BES). La investigación realizada en la Fuente de Neutrones por Espalación, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge con el apoyo de la División de Servicios de Usuario Ciencia, Ciencias de la Energía Basic, DOE.

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