martes, 16 de noviembre de 2010

Otro estado más para el agua: cuasicristal.


Con al menos quince formas cristalinas diferentes, dos fases sólidas desordenadas diferentes (vidrios), y puede que dos estados líquidos diferentes, el agua es un transformista prodigioso. Pero el equipo de Valeria Molinero, Universidad de Utah (EE.UU.), anuncia ahora que el agua tiene todavía más ases en la manga. Parece ser que cuando se confina el agua entre dos placas separadas tan sólo 8,5 Angstroms (el espacio justo para dos capas moleculares) puede alcanzar un estado cuasicristalino en el que tendría una simetría dodecagonal, “prohibida”.

Aunque se había especulado con que el agua podía adoptar esta forma sólida, hasta ahora no se habían presentado pruebas firmes de que pudiera existir. No sólo eso, todos los cuasicristales conocidos hasta ahora han sido mezclas de dos o más componentes, lo que haría a este el primero monocomponente. Ahora bien, lo que el grupo de Molinero ha hecho es una predicción basada en simulaciones por ordenador, aún no hay una observación experimental.

Los cuasicristales se descubrieron por primera vez en 1984 en una aleación de aluminio y manganeso. Al igual que los cristales, generan patrones de difracción de los rayos X con puntos brillantes dispuestos simétricamente, pero con simetrías (pentagonales, decagonales, dodecagonales) que no pueden ser producidas por ningún empaquetamiento ordenado de partículas que sea regular. Por contra, los cuasicristales no son perfectamente periódicos: contienen disposiciones atómicas locales con estas simetrías prohibidas, pero que no se repiten exactamente.

El agua parece un buen candidato para formar un cuasicristal parecido al hielo, ya que los enlaces de hidrógeno entre las moléculas favorecen la formación de anillos pentagonales.

El grupo de Molinero simuló el agua entre dos placas a presiones de hasta 5000 atmósferas: la presión favorece el empaquetamiento más compacto que proporcionan los anillos pentagonales frente al estándar hexagonal del hielo. Los investigadores encontraron una fase cristalina de simetría tetragonal formada por pentágonos unidos, y otra fase compuesta por pentágonos y hexágonos con una cuasisimetría dodecagonal.

Los investigadores admiten que las condiciones de las simulaciones son difíciles de crear experimentalmente, pero señalan un aspecto muy interesante. El estado del cuasicristal puede ser estabilizado sin aplicar presión, basta con modular la intensidad de la interacción agua-superficie. Por lo que podría ser concebible que pudiera conseguirse depositando una fina capa de agua sobre una sola superficie plana.

Referencia:

Johnston, J., Kastelowitz, N., & Molinero, V. (2010). Liquid to quasicrystal transition in bilayer water The Journal of Chemical Physics, 133 (15) DOI: 10.1063/1.3499323

Esta entrada participa en la XIII edición del Carnaval de la Física, que este mes alberga Gravedad Cero.