Las simulaciones por computadora examinan los efectos de la cizalla en el hielo amorfo de densidad media

El agua es ubicua y aparentemente ordinaria, no posee un color u olor distinto. Aunque a menudo damos el agua por sentado, de ninguna manera es una sustancia simple. Como consecuencia de sus propiedades químicas, H₂O es una de las sustancias más increíbles, capaz de formarse en 20 fases de hielo cristalino separadas conocidas. Ahora los investigadores buscan expandir ese número aún más.

Ingrid de Almeida Ribeiro, un investigador postdoctoral en química, y sus socios de laboratorio en el Grupo de Investigación Molinero en el Departamento de Química de la Universidad de Utah. publicado un estudio en Actas de la Academia Nacional de Ciencias Detalla su trabajo que avanza la ciencia del hielo amorfo utilizando Simulaciones por computadora.

A menudo caracterizado como vidrio, se sabía que el hielo amorfo aparece en un estado amorfo amorfo de baja densidad (LDA) o de alta densidad (HDA). Un estudio reciente demostró la existencia de hielo amorfo de densidad media (MDA) a través de la aplicación de molienda de bolas. El trabajo de Ribeiro se expandió al examinar las consecuencias del cizallamiento además de otras variables, incluida la temperatura y la presión.

El hielo amorfo se distingue del hielo cristalino típico por su disposición atómica no periódica. Todavía se clasifica como un material sólido, que puede describirse alternativamente como «un líquido que ha perdido su capacidad de fluir».

«Piense en entrar en una sala de cine. Todos los asientos están alineados en filas y columnas perfectas. Eso es como el hielo cristalino, átomos arreglados en un patrón estructurado y repetido. Ahora, imagine un festival de música, la gente está dispersa en todas partes, algunos llenos Estrechamente juntos, otros con más espacio entre ellos, sin disposición clara. Dijo Ribeiro.

«Ahora, imagine un líquido donde los átomos se mueven libremente. Si tuviera que congelar esa estructura desordenada sin permitir que los átomos se reorganicen en un cristal, obtendrá un vaso. Es como una instantánea congelada de un líquido».

La falta de orden en el hielo amorfo crea diferentes entornos locales, por lo que LDA y HDA son tan distintos. En LDA, cada molécula de agua está rodeada por aproximadamente cuatro vecinos, dándole una densidad cercana a la del hielo cristalino. En HDA, las moléculas de agua se empacan con más fuerza, con cinco a seis vecinos, aumentando su densidad en un 25%.

A comparación, agua líquida Se sienta entre estos dos, con una densidad 9% más alta que el hielo a presión ambiente. Para comprimir el agua líquida a la densidad de HDA, necesitaría una increíble atmósferas de presión, más del doble de la presión que se encuentra en el fondo del océano.

Lo que excita a los investigadores como Ribeiro es el «abismo» entre LDA y HDA que ahora se puede «llenar» con gafas nuevas producidas por molienda de bolas o técnicas de corte.

«Hasta ahora, se creía que el agua solo podía existir en formas amorfas de baja o alta densidad, sin nada en el medio», dijo Ribeiro. «Nuestro estudio mostró que el corte resulta en una reorganización de las moléculas de agua en gafas nuevas que tienen densidades entre LDA y HDA».

Su investigación fue supervisada por Valeria Molinero, profesora distinguida en el Departamento de Química de la U y una destacada investigadora de ICE, y se realizó con otros miembros del Grupo Molinero y científicos del Laboratorio Nacional de Argonne en Illinois.

Un componente central del estudio modeló lo que sucede con el hielo amorfo cuando sufre «molienda de bolas». En este proceso, una muestra de hielo junto con bolas de acero inoxidable se limitan dentro de un frasco sellado y se mantienen a una temperatura de 77 Kelvin, o -321 ° F. El recipiente se sacude enérgicamente, sometiendo la materia de hielo a las fuerzas de compresión, tensión y corte. Este proceso fue clave en el «desbloqueo» de MDA ICE y ofrece una nueva vía para que los científicos investigen las propiedades del agua en mayor medida que antes.

A bajas temperaturas, el corte evita que las moléculas de hielo se reordenen en estructuras cristalinas más estables. Esto crea una sustancia amorfa, en forma de vidrio después de la cizalladura. Como resultado, los métodos de enfriamiento isobáricos convencionales (presión constante) no pueden lograr densidades de MDA, pero los procesos de corte como la molienda de bolas pueden.

Con el apoyo del Centro de la U para la Computación de alto rendimiento, el equipo de Molinero realizó una serie de simulaciones de deformación de corte. Una simulación incluyó granos de hielo, que contenían hasta 4 millones de moléculas de agua a través de una tasa de corte de 100 millones de veces por segundo. A través de simulaciones como estas, el equipo de investigación encontró más vías para sintetizar MDA, no solo por hielo cristalino, sino también de formas amorfas como LDA y HDA.

Estos hallazgos podrían ayudar a los científicos a comprender mejor el agua bajo condiciones extremasincluyendo su formación en el espacio extraterrestre. Proporcionan información sobre las formaciones y estructuras de hielo en lunas lejanas, como Europa y Encelado, que orbitan Júpiter y Saturno, respectivamente. Con baja presión y temperaturas frías, las condiciones en estas lunas son similares a las creadas en los laboratorios de investigación. Si bien nuestra experiencia cotidiana con el hielo implica su forma cristalina, la estructura más común del agua en todo el universo es hielo amorfo.

Estos descubrimientos son aún más emocionantes porque podrían tener aplicaciones más allá del agua, que se extienden a otros materiales con estructuras locales similares, como carbono, sílice y silicio. Al igual que el agua, estos materiales pueden existir en múltiples fases amorfas distintas y se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales y electrónicas.

«Si bien la fresación de bolas se ha utilizado activamente para procesar materiales, este estudio es el primero en proporcionar una perspectiva unificada que incorpora el cizallamiento como una nueva variable de control del diagrama de fase de la sustancia, un enfoque que podría aplicarse a muchos otros materiales». Dijo Ribeiro.