Ciencias

¿Cómo cambia la estructura del hielo alrededor de las impurezas?

A nivel molecular, el hielo está menos ordenado de lo que piensas, pero resulta que parte de esta falta de orden se puede restaurar

Foto de erin mckenna en Unsplash

El hielo es una sustancia fascinante con propiedades únicas y siempre ha fascinado a la gente. A diferencia de la mayoría de los otros materiales, la estructura del hielo no está tan ordenada como podría estar a temperaturas muy bajas. Un trabajo reciente publicado en PNAS ha hecho nuevos avances teóricos sobre las razones de esto y las formas en que se puede restaurar parte del desorden.

El equipo de científicos ha descrito una propiedad relativamente oscura pero fundamental de la estructura del hielo a temperaturas muy bajas, la ferroelectricidad. Es probable que estos resultados se extiendan a las superficies de hielo, una posibilidad que podría ser relevante para la aglomeración de partículas de hielo en el espacio interestelar.

“En un trozo de hielo perfectamente ordenado, los átomos de hidrógeno de cada molécula de agua deben apuntar en la misma dirección que los soldados en un tren mirando hacia delante”, explica Alessandro Laio, físico y coautor. “Si ese fuera el caso, el hielo tendría una polarización eléctrica macroscópica, sería ferroeléctrico. En cambio, las moléculas de agua en el hielo se comportan como soldados rebeldes, incluso a temperaturas muy bajas, y todas miran en diferentes direcciones. «

Este comportamiento anómalo, descubierto experimentalmente en la década de 1930, fue explicado de manera inmediata y famosa por Linus Pauling: La falta de disciplina es el resultado de la restricción de la ‘regla del hielo’: cada átomo de oxígeno debe tener dos y solo dos protones en cualquier momento. hazlo H.2O. La difícil cinética creada por esta restricción hace que el proceso de pedido sea infinitamente lento, como en un tren en movimiento en el que cada soldado tenía cuatro vecinos y tenía que sostener dos manos sobre los hombros de dos de ellos.

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“Sin impurezas o defectos que hayan demostrado ser reveladores, hoy no se sabría si el orden de los protones y la ferroelectricidad del hielo cristalino son una posibilidad real o una invención de la imaginación, ya que ni los experimentos ni las simulaciones podrían superar las reglas impuestas por el hielo. provocó una desaceleración cinética ”, enfatiza Erio Tosatti, gerente de proyectos.

Impurezas como una molécula de hidróxido de potasio que reemplaza a una H.2De hecho, se sabe que las moléculas de O permiten que el proceso de ordenación se nuclee y el hielo se vuelva ordenado y ferroeléctrico a temperaturas muy bajas, aunque solo sea de forma parcial y lenta. Se ha sugerido que la «regla del hielo» está detrás de la inercia de este proceso, pero no se sabía exactamente cómo funcionaba.

El equipo diseñó un modelo teórico y una estrategia para explicar el comportamiento de la estructura del hielo tanto puro como dopado. «Según este modelo», explican los científicos, «una vez que una impureza se introduce en un estado inicial, desigual, de baja temperatura, de temperatura desigual, actúa como semilla para la fase ordenada, pero de una manera especial: no todos los» soldados «alrededor del La contaminación a su alrededor comienza a mirar en la dirección correcta, pero solo aquellos que están delante o detrás de la contaminación. Por lo tanto, al final del proceso, solo se ordena a un número de soldados en el tren ”. Este proceso muy atípico puede ayudar a prevenir el comienzo lento e incompleto de la contaminación. explicar el orden ferroeléctrico en hielo dopado real.

“Aunque el estudio se limita actualmente al hielo a granel”, concluyen Tosatti y Laio, “el mecanismo destacado probablemente se extiende a las superficies de hielo en las que podrían formarse cadenas de protones ordenados a bajas temperaturas, lo que explica una pequeña cantidad conocida de ferroeléctricos locales. Polarización, fenómeno que también puede ser relevante para la aglomeración de partículas de hielo en el espacio interestelar. «

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Referencia: J. Lasave et. Alabama Cadenas y anillos de protones en nucleación atípica de ferroelectricidad en hielo, PNAS (2020), DOI: 10.1073 / pnas.2018837118

Comunicado de prensa de SISSA

Rocío Penalver

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