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El instrumento de alta densidad energética (HED) del European XFEL. Foto: European XFEL |
El helado puede tener infinitos sabores, pero el hielo —sí, el mismo hielo hecho solo de agua— también guarda secretos sorprendentes. Aunque parezca simple, el agua sólida puede adoptar más de 20 formas diferentes, conocidas como fases, que varían según la disposición de sus moléculas. Y ahora, un grupo de científicos acaba de añadir una más a la lista: el hielo XXI.
El hallazgo fue liderado por investigadores del Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) y publicado en la revista Nature Materials. Este nuevo tipo de hielo se descubrió gracias a experimentos realizados en el European XFEL, el láser de rayos X más potente del mundo, y en el PETRA III de DESY, una de las fuentes de fotones más energéticas que existen.
Lo interesante del hielo XXI es que su estructura no se parece a ninguna de las fases conocidas hasta ahora. Se forma cuando el agua se somete a una compresión ultrarrápida a temperatura ambiente, lo que la convierte en una versión “supercomprimida” de sí misma. Aunque no es la forma más estable, puede mantenerse durante un tiempo antes de transformarse en otro tipo de hielo. Y esa capacidad de existir “entre fases” abre una ventana fascinante a cómo se comporta el agua bajo condiciones extremas.
El agua, tan común y a la vez tan misteriosa, revela aquí su complejidad. A pesar de estar compuesta solo por hidrógeno y oxígeno, sus estructuras sólidas se multiplican cuando cambia la presión o la temperatura. La mayoría de estas fases aparecen a presiones muy altas y bajas temperaturas, pero en este caso, el equipo logró producir hielo a temperatura ambiente aplicando una presión 20,000 veces mayor que la del aire normal.
Para conseguirlo, los científicos utilizaron celdas de yunque de diamante, una herramienta que comprime minúsculas muestras entre dos diamantes. En solo 10 milisegundos —una centésima de segundo—, el agua fue presionada hasta dos gigapascales, y luego liberada lentamente durante un segundo con ayuda de un sistema piezoeléctrico, capaz de expandirse o contraerse con impulsos eléctricos.
Mientras todo eso ocurría, el European XFEL actuaba como una cámara de alta velocidad, capturando imágenes del proceso cada microsegundo. Esas instantáneas revelaron cómo el hielo XXI emergía y tomaba forma. En experimentos posteriores en el PETRA III, los investigadores comprobaron que este nuevo hielo tiene una estructura tetragonal, organizada en enormes unidades repetitivas llamadas celdas unitarias.
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Imágenes ópticas medidas simultáneamente con cinco tipos de curvas P-t. Crédito: Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02364-x |
“Gracias a los pulsos únicos del XFEL, hemos podido observar múltiples caminos de cristalización en el agua sometida a compresión dinámica”, explicó Geun Woo Lee, científico de KRISS. Su colega Cornelius Strohm, del equipo HIBEF de DESY, añadió que esta técnica permite “controlar con precisión la trayectoria de presión que sigue la muestra entre los dos diamantes”.
El grado de compresión influye directamente en la forma en que el agua cristaliza. Según Lee, esto sugiere que podrían existir más fases metastables de hielo a altas temperaturas de lo que se pensaba, lo que ayudaría a entender mejor la composición interna de lunas heladas como Titán o Ganímedes, donde el hielo VI —una fase relacionada— podría estar presente.
“Cada nuevo tipo de hielo que descubrimos nos acerca un poco más a comprender cómo se comporta el agua en otros mundos”, destacó Rachel Husband, también del equipo HIBEF.
Para Sakura Pascarelli, directora científica del European XFEL, el descubrimiento es un ejemplo brillante del potencial de la investigación colaborativa: “Es emocionante ver resultados tan innovadores surgir de nuestro programa Water Call. El agua aún guarda muchos secretos, y esto es solo el comienzo.”
Un hallazgo que no solo redefine nuestra visión del hielo, sino que también nos recuerda que incluso lo más cotidiano —una simple gota de agua— puede esconder una física tan extraordinaria como la del cosmos.