Hielo amorfo
forma sólida amorfa del agua
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El hielo amorfo (también conocido como hielo no cristalino o "vítreo") es una forma sólida del agua que carece de un orden de largo alcance en su disposición molecular. A diferencia del hielo común, que es un material cristalino con una red hexagonal regular (hielo Ih), el hielo amorfo se caracteriza por su estructura desordenada, similar a la de un vidrio. Se produce principalmente mediante enfriamiento rápido del agua líquida, que impide que las moléculas tengan tiempo suficiente para organizarse en una red cristalina, o por compresión del hielo ordinario a bajas temperaturas.[1]
Aunque casi todo el hielo de agua presente en la Tierra es la forma cristalina hielo Ih, el hielo amorfo domina en las profundidades del medio interestelar, lo que lo convierte en la estructura más común para el H2O en el universo en general.[1] Su estudio es fundamental para comprender procesos astrofísicos, la formación de cometas y planetas, así como aplicaciones biotecnológicas como la criopreservación.
Así como existen múltiples formas cristalinas de hielo (actualmente se conocen más de 20 fases), también hay diferentes variedades de hielo amorfo. Estas se distinguen principalmente por sus densidades, que van desde 0.94 g/cm³ hasta más de 1.26 g/cm³.
Formación
La producción de hielo amorfo depende críticamente de la velocidad de enfriamiento. Para que el agua líquida alcance su temperatura de transición vítrea (aproximadamente 136 K o −137 °C) sin cristalizar, debe enfriarse en milisegundos. Este proceso evita la nucleación espontánea de cristales. Es análogo a la producción de helado a partir de ingredientes heterogéneos, que también debe congelarse rápidamente para evitar la formación de cristales de hielo que dañarían la textura.
La presión es otro factor determinante. Variaciones en la presión pueden inducir la transición entre diferentes formas de hielo amorfo (por ejemplo, de baja densidad a alta densidad).
Para aplicaciones biológicas, se utilizan crioprotectores (como el glicerol o el dimetilsulfóxido). Estas sustancias se añaden al agua para reducir su punto de congelación, aumentar la viscosidad e inhibir la formación de cristales, permitiendo la vitrificación de tejidos y células sin necesidad de velocidades de enfriamiento extremadamente altas. Esta técnica es esencial en la criopreservación de embriones, ovocitos y otros materiales biológicos.
Formas
El hielo amorfo se clasifica principalmente en tres formas, aunque la investigación sugiere la existencia de transiciones entre ellas.
Hielo amorfo de baja densidad (LDA)
El hielo amorfo de baja densidad (LDA, del inglés low-density amorphous ice), también conocido como agua sólida amorfa (ASW, amorphous solid water), se forma típicamente en el laboratorio mediante la lenta acumulación de moléculas de vapor de agua sobre una superficie de metal ultralimpia y enfriada a temperaturas inferiores a 120 K. En el espacio exterior, se espera que se forme de manera similar sobre partículas de polvo interestelar frías.[2]
El LDA tiene una densidad de 0.94 g/cm³, que es menor que la del agua líquida (1.00 g/cm³ a 277 K), pero mayor que la del hielo ordinario Ih (0.92 g/cm³). Cuando se calienta por encima de su temperatura de transición vítrea (Tg), entre 120 y 140 K, el LDA se transforma en un líquido de alta viscosidad, que eventualmente puede cristalizar en hielo cúbico (Ic) si la temperatura continúa aumentando.[3]
Una variante relacionada es el agua vítrea hipertemplada (HGW, hyperquenched glassy water), que se forma al rociar una fina niebla de gotas de agua ultrafinas sobre un soporte enfriado a 77 K (temperatura del nitrógeno líquido) en condiciones de vacío. Este método requiere velocidades de enfriamiento superiores a 104 K/s y produce un material amorfo cinéticamente estable que puede almacenarse durante años.
Hielo amorfo de alta densidad (HDA)
El hielo amorfo de alta densidad (HDA, high-density amorphous ice) se descubrió en 1984 al comprimir hielo Ih a temperaturas inferiores a 140 K y presiones de aproximadamente 1.6 GPa (unas 16,000 atmósferas).[4] También puede obtenerse comprimiendo LDA a unos 0.5 GPa.[5] A 77 K y presión atmosférica, el HDA es metaestable y puede mantenerse indefinidamente, con una densidad de 1.17 g/cm³.
Estudios posteriores demostraron que el HDA también se forma durante la deposición de vapor de agua a temperaturas extremadamente bajas (< 30 K), como ocurre en los granos de polvo interestelar. En estas condiciones, muchas moléculas de agua quedan atrapadas en posiciones intersticiales, creando una estructura más densa. Al calentar por encima de 30 K, el material se reordena y se transforma irreversiblemente en LDA.[3]
Hielo amorfo de muy alta densidad (VHDA)
El hielo amorfo de muy alta densidad (VHDA, very-high-density amorphous ice) fue descubierto en 1996 por Osamu Mishima. Se obtiene calentando HDA a 160 K bajo presiones de 1-2 GPa, lo que produce una forma aún más densa.[6] A presión ambiente y 77 K, el VHDA presenta una densidad de 1.26 g/cm³. Estudios recientes sugieren que el VHDA podría ser una fase distinta del HDA, y no simplemente una versión más compacta, lo que abre nuevas preguntas sobre el diagrama de fases del agua amorfa.
Tabla comparativa
| Nombre | Siglas | Densidad (g/cm³) a 77 K y 1 atm | Método de formación principal |
|---|---|---|---|
| Baja densidad | LDA | 0.94 | Deposición de vapor a T < 120 K o enfriamiento rápido de gotas (HGW) |
| Alta densidad | HDA | 1.17 | Compresión de hielo Ih a 1.6 GPa (T < 140 K) |
| Muy alta densidad | VHDA | 1.26 | Calentamiento de HDA a 160 K bajo 1-2 GPa |
Hielo amorfo en el sistema solar
Propiedades físicas y astrofísicas
En el medio interestelar, el hielo amorfo se forma típicamente por debajo de ~130 K, temperatura por debajo de la cual las moléculas de agua no pueden organizarse en una red cristalina.[7] En la Tierra, se puede formar hielo amorfo en las regiones más frías de la atmósfera, como la mesosfera polar de verano, donde existen las nubes noctilucentes.[8]
La transición de hielo amorfo a cristalino es irreversible y exotérmica, liberando entre 1.26 y 1.6 kJ/mol. La temperatura exacta de esta transición depende de factores como la presencia de impurezas, la tasa de calentamiento y la microestructura del hielo. Además, la tasa de deposición del vapor de agua influye en la estructura final: incluso a temperaturas muy bajas, un flujo muy lento de vapor puede dar lugar a hielo cristalino, mientras que un flujo alto puede producir hielo amorfo a temperaturas superiores a las esperadas.[9]
Por debajo de 77 K, la irradiación con fotones ultravioleta, electrones o iones de alta energía puede dañar la estructura del hielo cristalino, transformándolo en hielo amorfo.[10] Este proceso es relevante en entornos con alta radiación, como las lunas de Júpiter.
Detección espectroscópica
El hielo amorfo y el cristalino se distinguen mediante espectroscopía infrarroja. Las bandas de absorción características del agua en 1.65, 3.1 y 4.53 μm varían en intensidad y forma según el grado de cristalinidad.[11] En particular, la banda de 1.65 μm es mucho más pronunciada en el hielo cristalino, mientras que en el amorfo aparece ensanchada y débil.
A longitudes de onda más largas (infrarrojo lejano), las bandas en 44 y 62 μm son diagnósticas: el hielo cristalino muestra una fuerte absorción a 62 μm, ausente en el amorfo.[12] Dado que la atmósfera terrestre es opaca en estas longitudes de onda, su observación requiere telescopios espaciales como el Observatorio Espacial Herschel o el James Webb.
Nubes moleculares y discos circunestelares
Las nubes moleculares, con temperaturas de ~10 K, son ambientes ideales para la formación y preservación de hielo amorfo. Su presencia ha sido confirmada mediante observaciones infrarrojas.[13] Durante el colapso de estas nubes para formar estrellas y discos circunestelares, las temperaturas suelen mantenerse por debajo de 120 K, lo que sugiere que la mayor parte del hielo permanece amorfo. Sin embargo, en regiones donde la temperatura aumenta lo suficiente como para sublimar el hielo, la recondensación puede producir hielo cristalino debido a las bajas tasas de flujo de vapor, como se ha observado en el disco circunestelar de IRAS 09371+1212.[14]
En la nebulosa solar primordial, se cree que el hielo amorfo sobrevivió a distancias mayores a 12 AU (más allá de la órbita de Saturno), donde las temperaturas eran lo suficientemente bajas.[9]
Cometas
La evidencia de hielo amorfo en cometas proviene de su actividad a grandes distancias heliocéntricas (>6 AU), donde la sublimación del hielo de agua es insignificante. Cometas como el 29P/Schwassmann–Wachmann muestran explosiones repentinas que se han atribuido a la cristalización exotérmica del hielo amorfo.[15] Este proceso libera energía que puede calentar el núcleo cometario y generar chorros de gas y polvo.
Objetos del cinturón de Kuiper
Con temperaturas de equilibrio de 40–50 K, se espera que los objetos del cinturón de Kuiper posean hielo amorfo en sus superficies.[16] Sin embargo, la detección de hielo cristalino en (50000) Quaoar sugiere la ocurrencia de eventos de resurgimiento como impactos o criovolcanismo, que pueden calentar localmente la superficie y cristalizar el hielo.[17]
Lunas heladas de Júpiter y Saturno
El espectrómetro NIMS de la sonda Galileo reveló distribuciones contrastantes de hielo amorfo y cristalino en las lunas de Júpiter. Europa, la más cercana, recibe la mayor dosis de radiación y presenta principalmente hielo amorfo, ya que la irradiación destruye la estructura cristalina. Calisto, la más lejana, tiene hielo mayoritariamente cristalino. Ganímedes muestra una mezcla: hielo amorfo en latitudes altas (donde su campo magnético canaliza las partículas cargadas) y hielo cristalino en latitudes bajas (protegidas por el campo).[18]
En Encélado, luna de Saturno, el espectrómetro VIMS de la sonda Cassini identificó hielo cristalino en las cálidas "franjas del tigre" (regiones geológicamente activas) y hielo amorfo en el terreno circundante, posiblemente formado por la rápida congelación de los géiseres de agua o por irradiación.[11]
Usos y aplicaciones
El hielo amorfo tiene aplicaciones clave en ciencia y tecnología:
- Criomicroscopía electrónica (crio-ME): La vitrificación de muestras biológicas (proteínas, virus, orgánulos) en hielo amorfo permite observar las biomoléculas en un estado cercano al nativo, sin los artefactos de la cristalización. Esta técnica revolucionó la biología estructural y fue galardonada con el Premio Nobel de Química en 2017.[19]
- Criopreservación: La vitrificación de tejidos, embriones y células madre mediante crioprotectores y enfriamiento rápido evita la formación de cristales de hielo que dañan las membranas celulares.
- Ciencia planetaria: La comprensión de la formación y transformación del hielo amorfo es esencial para modelar la evolución de cometas, lunas heladas y la distribución del agua en el sistema solar.
