Curiosamente, la parte sólida del planeta probablemente está hecha de hielo, la forma cristalina del agua, o H2O, tal como lo tenemos en la Tierra. Pero cualquiera que haya bebido una bebida helada en una calurosa tarde de verano sabe qué tan rápido se puede derretir el hielo. ¿Cómo este hielo se calienta tanto, pero sigue siendo el hielo sólido de iglúes y cócteles??
La verdad radica en el extraño, casi increíble mundo de la química y la física: hay más de un tipo de hielo, hecho del mismo tipo de agua que se toma todos los días. De hecho, hay al menos 17 fases de hielo que los científicos han descubierto hasta ahora, haciendo del hielo un material mucho más complicado de lo que nadie había pensado previamente.
Los científicos han estado recreando las condiciones para hacer estos tipos inusuales de hielo en sus laboratorios, incluido el hielo X y XVI, los helados de alta presión que los científicos creen que existen en el clima ardiente de Gliese 436 b.
Una impresión artística de Gilese 436b con una nube de hidrógeno parecida a un cometa. También se muestra la estrella madre, que es una débil enana roja llamada Gliese 436. El hidrógeno se está evaporando del planeta debido a la radiación extrema de la estrella. (Foto: ESA / Hubble / Dominio Público)
Resulta que el agua, elemento básico de nuestros procesos biológicos y la fuerza detrás de la vida en sí misma, no es su fluido típico, con docenas de anomalías. "Es inusual tener tantas fases", dice el profesor emérito Martin Chaplin, de la London South Bank University. Chaplin estudia sistemas acuosos y es el autor del sitio web sobre hielo y agua más completo hasta la fecha..
Las extrañas anomalías del agua comienzan con su estructura básica: cuando las moléculas de agua se conectan, lo hacen con una molécula de hidrógeno. Este enlace es tan fuerte que el agua necesita temperaturas más altas para hervir y derretirse de lo que normalmente se espera de los líquidos, y mucho más que el oxígeno o el hidrógeno solo. Dado que estos enlaces pueden estirarse, la distancia entre el hidrógeno y el oxígeno se reduce cuando la temperatura aumenta, y la distancia aumenta cuando la presión aumenta..
Un copo de nieve visto a través de un microscopio, consistente en Hielo Ih. (Foto: Michael / WikiCommons CC BY-SA 2.0)
"Esto es una consecuencia del enlace de hidrógeno y la densidad relativamente baja a bajas presiones, lo que permite que muchas estructuras más densas sean posibles", dice Chaplin. La estructura cristalina del hielo Ih, el hielo con forma hexagonal normal con el que entramos en contacto en los congeladores y en los copos de nieve, también está determinada por este enlace, y en nuestra atmósfera forma una red abierta y uniforme de cristales hexagonales..
Entonces, cuando el planeta Gliese 436 b está bajo una presión súper alta, el hielo cruje hacia abajo, sus moléculas se estiran y se compactan en nuevas formas, y su estructura cristalina emerge totalmente cambiada. Si el hielo X, por ejemplo, existe en este planeta caliente, como creen los científicos, se mantendrá sólido al comprimirlo para convertirlo en una celosía en forma de alambrada. De manera similar a como el agua hierve a una temperatura más baja en las montañas que a nivel del mar, a una temperatura alta bajo presión extrema, el hielo X necesitará una temperatura mucho más alta para fundirse que cuando está en la atmósfera más liviana de la Tierra.
Estructura interior de Gliese 436b. (Foto: Dr. Jason Wright / WikiCommons)
Y eso es solo una extraña fase de hielo, todas ellas únicas. De acuerdo con el sitio web de Chaplin, el patrón desordenado del hielo VII se encuentra probablemente en "planetas gigantes y lunas heladas", las moléculas de hielo VI están alineadas en cuadrículas triangulares y el hielo V tiene una estructura molecular que parece una escultura de juguete K'NEX desaparecida incorrecto. Ice III tiene una estructura cristalina ondulada y juguetona con moléculas que casi parecen estar bailando, mientras que el hielo XVI se asemeja a un panal de miel y en realidad puede contener y almacenar diferentes gases. El hielo cúbico, llamado hielo Ic, probablemente se forma en las nubes más altas y más frías de la atmósfera de la Tierra, y su modelo 3D se ve como diamantes de punta y de mesa.
Recrear estos efectos en el laboratorio, como puedes imaginar, es bastante complicado. Antes de que algo comience, los científicos del hielo necesitan condiciones que, según Chaplin, son difíciles de crear. "Es difícil producir agua realmente pura", dice Chaplin, y es difícil observar las moléculas en sí mismas. "A bajas temperaturas, los cambios en la estructura pueden ser muy lentos".
Para estudiar estas fases, los científicos trituran menos de un gramo de hielo en un polvo fino y lo enfrían en exceso con nitrógeno líquido. Después de cargarlo en una prensa especializada hecha de materiales no reactivos como el tungsteno o los diamantes, calientan lentamente el hielo, grado por grado; de repente, el volumen del hielo cambiará, detectado por los sensores. En este espacio confinado, la posición de las moléculas de agua cambia de acuerdo con la temperatura y la presión ejercidas sobre el hielo. Los científicos observan las moléculas utilizando rayos X o un proceso llamado cristalografía de neutrones, que utiliza un pequeño haz de neutrones para formar un patrón detectable a medida que se dispersan alrededor de las moléculas de hielo, dando una imagen tridimensional de la molécula.
Estructura del hielo XVI. (Foto: Andrzej Falenty / WikiCommons CC BY 4.0)
La recreación de estos ices en el laboratorio es ordenada, pero también es útil para expandir nuestro conocimiento del universo natural. "Es probable que existan hielo dentro de algunos planetas y lunas a altas presiones, y es importante saber cuáles son sus propiedades ... para comprender el comportamiento de esos planetas y lunas", dice Chaplin. "Algunos hielos pueden formarse en el procesamiento a alta presión de materiales y alimentos en la Tierra".
Los helados de alta presión también pueden ayudar a los científicos a examinar las células biológicas; la congelación a alta presión puede evitar que el hielo aumente su volumen y el material molesto mientras se congela, manteniendo intactas las delicadas células orgánicas. Algunos han sugerido que el hielo XVI podría usarse para eliminar el gas metano, que produce calor, debajo del fondo de las profundidades marinas, y reemplazarlo con CO2 menos dañino.
Después de estudiar extensamente las estructuras de hielo, Chaplin realmente predijo una nueva fase de hielo siete años antes de que fuera descubierto en 2007, llamado hielo desordenado apilado. "Una noche, cuando dormitaba, en medio de la noche, me di cuenta de que esta estructura mixta de hielo cúbico y hexagonal podía plegarse en estructuras esféricas (en realidad icosaédricas) que podrían explicar muchas de las propiedades inexplicables del líquido. Agua ”, dice Chaplin, quien no pudo dormir durante tres días mientras predecía la nueva fase de hielo. Este hielo forma formas elegantes y tetraédricas, y se encuentra en altas nubes cirros y estelas de aviones..
Un diagrama de la estructura del hielo XVI. (Foto: Cortesía Martin Capellán)
Una fase más siniestra del hielo se predijo, sensacionalmente, en la ficción de los años sesenta. Kurt Vonnegut escribió en su libro. Cuna de gato sobre el hielo nueve, una sustancia desastrosa capaz de convertir el suministro de agua de la Tierra de forma permanente en hielo. "Me gusta el hielo nueve de Vonnegut", dice Chaplin, aunque en su sitio web, asegura que esta versión ficticia "afortunadamente no tiene una base científica". junto con agua líquida, o provocar un apocalipsis helado).
Los científicos aún están descubriendo nuevos tipos de hielo con cierta regularidad, y es probable que haya muchos más. En febrero de 2016, el profesor de química Xiao Cheng Zeng propuso que podría existir un nuevo hielo de baja densidad VIII (aunque todavía no se ha fabricado), que podría ser el hielo de menor densidad que existe. Si bien Chaplin dice que todavía no tenemos la capacidad de encontrar algunos de los servicios de alta presión extrema, los científicos aún los siguen buscando..
La próxima vez que prepare su bebida helada favorita solo para verla consternada, ya que se derrite minutos después, recuerde que en algún lugar del universo, ese mismo hielo encontraría una manera de mantenerse fresco bajo presión.
Actualización 3/1: originalmente nos referimos a ice-nine, o IX, como IV. Lamentamos el error..