¿Por qué el hielo XXI congela a temperatura ambiente?

Nuevo hielo XXI: el agua solidifica a temperatura ambiente bajo 20.000 atmósferas. Hallazgo en XFEL y PETRA III con impacto en lunas heladas.

El agua puede solidificar sin enfriarse cuando se la somete a una presión descomunal y durante tiempos fugaces. Ese estado sólido, nunca visto hasta ahora, se ha bautizado hielo XXI. Es una nueva fase cristalina del agua que aparece a temperatura ambiente si el líquido se comprime de forma ultrarrápida hasta el entorno de 2 gigapascales —algo así como 20.000 atmósferas— dentro de una celda de yunque de diamante y se observa con ráfagas de rayos X que “filman” lo que ocurre a escala de microsegundos. El estudio que lo describe, firmado por un equipo internacional liderado desde el Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) con apoyo de European XFEL y PETRA III (DESY) en Alemania, no solo añade una pieza al rompecabezas del agua; obliga a ampliar el mapa de fases del H₂O en condiciones extremas y da pistas sobre lo que sucede en el interior de lunas heladas como Titán y Ganímedes.

La clave no es la temperatura, sino la presión extrema y la dinámica con la que se aplica. En el experimento, el agua líquida se “supercomprime” en apenas 10 milisegundos hasta alcanzar picos de 2 GPa y, después, se libera en torno a un segundo, repitiendo el ciclo cientos de veces. En ese “instante ventana” de presión altísima, sin variar los grados centígrados, cristaliza una malla atómica inédita. Ese es el hielo XXI. No es un hielo que pueda sostenerse fuera del laboratorio: es metastable, dura lo suficiente como para ser medido y, acto seguido, evoluciona hacia hielos densos ya conocidos. Aun así, su mera existencia revela que a temperatura ambiente el agua no solo puede formar el clásico hielo de la vida cotidiana; también abre rutas de solidificación mucho más ricas cuando el entorno la empuja a ese régimen de presión.

Una fase sólida inédita bajo 20.000 atmósferas

En condiciones normales, el agua congela en “hielo I” (hexagonal), el que flota en una bebida o cruje en los glaciares. Sin embargo, la física del agua admite más de veinte fases sólidas si se combinan presiones y temperaturas fuera de la experiencia diaria. El hielo XXI entra en esa familia como una fase de alta presión que aparece a temperatura ambiente. Para generarlo, los investigadores confinaron agua ultrapura entre dos puntas de diamante —una celda de yunque de diamante— y ejecutaron compresiones controladas mediante actuadores piezoeléctricos. El protocolo es tan rápido como preciso: 10 milisegundos para subir a ~2 GPa, 1 segundo para descargar la presión, y vuelta a empezar. Así, una y otra vez, desde cientos hasta más de mil ciclos.

Mientras la presión sube y baja, el European X-Ray Free-Electron Laser actúa como cámara ultrarrápida: entrega destellos de rayos X que permiten tomar una imagen cada microsegundo. Con esa resolución temporal se capturan transiciones que duran un suspiro, invisibles con técnicas más lentas. La sólida “película” de datos se completa en PETRA III, el sincrotrón de DESY en Hamburgo, donde la difracción de rayos X de alta energía “clava” la estructura atómica de lo que se ha formado en la celda. El resultado conjunto describe cuándo nace el hielo XXI, cuánto aguanta antes de transformarse y hacia qué otras fases toma la salida cuando la presión varía.

Importa subrayarlo: “congelar a temperatura ambiente” no significa que se pueda hacer hielo XXI en una cocina. La ventana de presión requerida —en torno a 1,6–2,0 GPa— es propia de laboratorios especializados o de interiores planetarios. El hielo XXI asoma y desaparece dentro de esa franja, en milésimas de segundo, y solo deja rastro en patrones de difracción donde se leen sus distancias atómicas y su simetría.

Qué estructura tiene y qué la diferencia

El nuevo hielo no es “uno más” por capricho. Su arquitectura interna es distinta a todas las descritas. El equipo lo identifica como una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (grupo espacial I̅42d) con una celda unidad enorme para los estándares del hielo: 152 moléculas de agua ordenadas en un patrón repetitivo. Esa macrocélula aparece alrededor de 1,6 GPa y, en esas condiciones, conlleva una densidad refinada de 1,413 g/cm³. La comparación rápida ayuda: el hielo común (Ih) tiene 0,917 g/cm³ a 0 °C y 1 atm, por eso flota; el hielo XXI es mucho más denso. Si pudiera existir “a presión ambiente” —no puede—, se hundiría. Pero no lo hace porque no es estable fuera del rango de presiones donde nace.

Ese empaquetado denso implica enlaces de hidrógeno retorcidos respecto a redes más familiares. El refinamiento de los datos —con índices de difracción asignados y parámetros de red en torno a a = b ≈ 20,2 Å y c ≈ 7,9 Å— cuadra con una malla amplia donde los oxígenos e hidrógenos ocupan posiciones que no coinciden con ninguno de los hielos I a XX conocidos. La identidad estructural no deja margen a dudas: no es una variante mal resuelta del hielo VI o VII; es una fase intermedia propia, que aparece y desaparece según el camino de presión-tiempo que siga el agua.

Una consecuencia inmediata: las propiedades mecánicas y térmicas de este sólido, aunque sea fugaz, no coinciden con las del resto de hielos densos. No es un detalle cosmético. En los modelos que tratan de predecir cómo se transporta el calor o cómo fractura una corteza helada a decenas de kilómetros de profundidad, la existencia de estados densos metastables cambia el guion. La resistencia, la viscosidad o la conductividad térmica de los “estratos” de hielo que alternan fases podrían variar con la historia de presión y tiempo que han experimentado.

Cinco caminos de congelación a temperatura ambiente

El hallazgo del hielo XXI llega con una sorpresa mayor: el agua no recorre un único camino cuando cristaliza a temperatura ambiente bajo alta presión. El equipo ha observado al menos cinco rutas distintas en las que el líquido va y viene entre líquido supercomprimido, fases metastables y hielo VI —la fase densa que se considera estable en ese rango—. Dicho sin jerga innecesaria, la solidificación en ese “barrio” del diagrama de fases se bifurca.

En esos ciclos de compresión y descompresión a ritmos que van de 0,001 a 120 GPa/s, el agua primero se resiste a congelar donde “debería” y, de repente, cae en una de varias rutas. En un caso típico, el líquido supercomprimido salta a hielo VI alrededor de 0,96 GPa, que es su presión de fusión a temperatura ambiente, y luego revierte a agua al descargarse la celda. En otros casos, aparecen fases intermedias: hielo VII metastable (ms-ice VII) y el nuevo hielo XXI metastable (ms-ice XXI). A partir de ahí, los caminos se multiplican: agua → hielo VI → agua; agua → ms-ice VII → agua; agua → ms-ice VII → hielo VI → agua; agua → ms-ice XXI → hielo VI → agua; agua → ms-ice XXI → ms-ice VII → hielo VI → agua.

La secuencia no es simétrica. Se ha visto hielo XXI transformarse en ms-ice VII, pero no el trayecto inverso, lo que sugiere que el XXI tiene energía libre ligeramente mayor que VII en estas condiciones. Es justo lo que anticipa la regla de Ostwald: al cristalizar desde un líquido metastable, el sistema tiende a explorar escalones intermedios antes de asentarse en la fase más estable. Aquí, esos escalones se iluminan porque la cámara de rayos X captura la acción cada microsegundo; si uno llegase tarde, ya no vería el XXI, solo el “final” en hielo VI.

Esta diversidad de rutas no es una anécdota. Implica que el agua supercomprimida evoluciona estructuralmente según aumenta la presión, pasando de alta densidad a muy alta densidad en el líquido, y esa microestructura condiciona qué fase cristalina nuclea antes. Traducido a una imagen: el agua no siempre toma el mismo sendero hacia la cima; depende de la prisa con la que se la empuja (la tasa de compresión) y de en qué punto del valle empieza a subir (la historia previa del líquido).

Cómo se capturó lo invisible: XFEL y PETRA III

El European XFEL, a las afueras de Hamburgo, es el láser de rayos X más potente del mundo. Sus pulsos son ultracortos y se repiten a ritmos altísimos, lo que permite ver en tiempo real transiciones que duran millonésimas de segundo. Para este experimento, la muestra se colocó en el instrumento High Energy Density (HED), dentro de la cámara IC2, y se comprimió dinámicamente con un montaje de yunque de diamante piezoaccionado. La sincronización entre los cambios de presión y la llegada de cada flash de rayos X es la que hace posible “grabar” el nacimiento del hielo XXI.

Con esas imágenes de granulometría temporal se obtiene dónde y cuándo aparecen nuevos picos de difracción que delatan la cristalización. Sin embargo, para resolver la estructura con precisión —qué simetría tiene, qué parámetros de red y cuántas moléculas caben en la celda unidad— entra en juego PETRA III. Su línea P02.2 proporciona rayos X de alta energía y detectores adecuados para refinar índices cristalográficos con fiabilidad. La combinación es la virtud: XFEL “ve” la película a velocidad de vértigo, PETRA III “afina” el fotograma para identificar la malla atómica.

Hay más técnica útil detrás. Los investigadores clasificaron cinco tipos de curvas presión–tiempo durante la congelación y fusión, repitieron cientos de ciclos por cada condición y trabajaron con diferentes tasas de (des)compresión para explorar cómo y cuándo emergían las fases metastables. El equilibrio de fusión del hielo VI —ese mesetón en torno a 0,96 GPa que aparece en los registros— sirve de ancla para entender qué está ocurriendo en cada tramo. Todo a temperatura ambiente, que en esta historia queda fija para aislar el papel de la presión.

De los laboratorios a las lunas heladas

¿Por qué este hielo “raro” debería interesar fuera de un laboratorio? Porque las presiones donde aparece el hielo XXI —del orden de gigapascales— son normales a decenas o centenas de kilómetros de profundidad en cuerpos helados del Sistema Solar. Se espera que hielo VI y hielo VII sean habituales en los mantos de Titán (Saturno) o Ganímedes (Júpiter). Si el agua puede atascarse temporalmente en estados metastables —como el XXI— durante su tránsito hacia esas fases densas, entonces la estructura interna de esas lunas podría alternar capas con propiedades distintas.

Un ejemplo práctico: si en el interior de Ganímedes existen zonas donde, por variaciones de carga o descarga (sísmicas o mareales), el agua se mueve por rutas rápidas de presión, podrían formarse microtexturas de hielo con densidades y rigideces distintas durante instantes que, sumados a escalas geológicas, modulan cómo se transporta el calor. Eso afecta a la convección en el manto helado, a la estabilidad de océanos internos y a la dinámica de la corteza. Misiones como JUICE (ESA) —en ruta a Júpiter— o Dragonfly (NASA) —destino Titán— no llevan un difractómetro para “cazar” hielos metastables, pero sí recogerán señales indirectas: gravitatorias, magnéticas, térmicas, sísmicas si se despliegan micrófonos o sismómetros. Los modelos que intentan explicar esas señales mejoran si incorporan rutas de solidificación donde asoman fases intermedias.

Otra derivada: impactos, geodinámica y materiales. La idea de que una presión intensa y rápida abre atajos para cristalizar sólidos de alta densidad no es exclusiva del agua. Lo que funciona para el H₂O puede inspirar protocolos para estudiar otros óxidos, sales o hidruros bajo condiciones similares, con el mismo tándem dinámica de compresión + “cámara” XFEL. Y, al revés, lo aprendido en choques de meteoritos o en compresión por ondas de choque puede conectarse con esta supercompresión “quasiestática” del agua.

Europa aparece aquí como actor decisivo. DESY y European XFEL han convertido un viejo problema —entender el comportamiento del agua en ambientes extremos— en una película de alta velocidad. No es solo músculo instrumental. Es metodología: en lugar de buscar un equilibrio termodinámico difícil de alcanzar, se provocan caminos de transición rápidos y se capturan estados metastables que, de otro modo, quedarían ocultos. El hielo XXI es, por ahora, el protagonista de esa secuencia.

Un mapa del agua más amplio de lo que parecía

Conviene cerrar con certezas. Existe una nueva fase sólida del agua, hielo XXI, que aparece a temperatura ambiente cuando el líquido se supercomprime rápidamente hasta presiones del orden de 1,6–2,0 GPa. Su estructura es tetragonal centrada en el cuerpo (I̅42d), con 152 moléculas por celda unidad y densidad en torno a 1,413 g/cm³ al rededor de 1,6 GPa. No es estable fuera de esa ventana: es metastable y actúa como fase intermedia en múltiples caminos de congelación y fusión que desembocan en hielo VI o, de forma transitoria, en hielo VII metastable. Se ha observado y resuelto gracias a láseres de rayos X que registran microsegundos y a difracción de alta energía en instalaciones europeas de referencia.

No menos importante: este trabajo ensancha la manera de entender el agua en entornos reales donde la presión manda. En la Tierra, eso toca la ciencia de materiales y la geofísica de zonas profundas; en el Sistema Solar, eleva la ambición de lo que podemos inferir sobre los interiores helados. Si el agua puede congelar en estados densos a temperatura templada cuando se la empuja lo suficiente y lo hace por vías alternativas, entonces su comportamiento es más diverso de lo que marcaban los manuales. El mapa no estaba equivocado; le faltaban caminos secundarios.

Queda trabajo para delante: comprobar cómo responden las mezclas más parecidas a las reales —agua con sales, amoníaco, metano—, medir propiedades como conductividad o módulo elástico durante esos instantes metastables y ajustar los modelos moleculares que explican por qué el líquido supercomprimido “elige” una u otra fase. Pero el rastro está ahí, medido y descrito con precisión. Y tiene nombre propio: hielo XXI. A temperatura ambiente. Bajo presiones gigantescas. Con tiempos de reloj en microsegundos. Una combinación que, paradójicamente, acerca la física del agua a lugares a los que no llegamos con sondas, pero sí con luz lo bastante rápida como para ver nacer un sólido imposible.