Todo el mundo está familiarizado con el hielo hexagonal, muy común. Pero hay muchas otras formas de hielo: ¿qué aspecto tienen? Si tuvieras grandes bloques de hielo en todas las fases conocidas junto a un bloque de hielo hexagonal, ¿qué diferencias evidentes notarías?
Respuesta
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Como se sabe, el hielo puede existir en al menos 15 fases sólidas. De ellas, la primera fase, $Ice$ $I$ (hielo-uno) es la única fase que se encuentra de forma natural en la tierra, principalmente en forma de $Ice$ $I_h$ cristal hexagonal como se ve en los glaciares y los copos de nieve.
El aspecto visible del hielo (por ejemplo, la transparencia y la claridad) depende también del nivel de pureza de los cristales formados. Por ejemplo, el aire puede quedar atrapado dentro de las inclusiones del hielo, haciéndolo translúcido u opaco de color blanco, como se muestra en la imagen siguiente.
La forma cúbica $Ice$ $I_c$ es metaestable, por lo que rara vez se encuentra, generalmente en las nubes altas de la alta atmósfera, donde se forma a presión ambiente por la condensación del vapor de agua a temperaturas muy bajas (-80°C).
La mayoría de las otras formas de hielo cristalino (designadas como $Ice$ $II$ a $XV$ son metaestables, produciéndose en el laboratorio mediante la aplicación de altas presiones (por encima de 200MPa) y/o bajas temperaturas (por debajo de 72K), dando lugar a un empaquetamiento más denso de las moléculas de agua.
Por ejemplo, $Ice$ $II$ (véase la imagen de abajo) se forma al comprimir la "normal $Ice$ $Ih$ a 200MPa a una temperatura de 198K.
La imagen SEM de arriba es de $Ice$ $I$ límites de grano decorados en los granos finos $Ice$ $II$ . El $Ice$ $I$ se encuentra en relieve en relación con el $Ice$ $II$ debido a la expansión volumétrica a la fase de menor densidad.
Los científicos creen que esta forma de hielo puede encontrarse en el interior de algunas grandes lunas heladas que orbitan alrededor de Júpiter.
El aspecto macroscópico de las formas "exóticas" del hielo depende de muchas variables, como el tamaño del grano del cristal. La producción en laboratorio de estas formas "novedosas" de hielo para garantizar la formación adecuada de granos finos de critalita (menos de 10 micras) lleva mucho tiempo y requiere un control cuidadoso de la temperatura y ciclos de presiones muy elevadas.
Por ejemplo, $Ice$ $IV$ se forma calentando hielo amorfo de alta densidad a un ritmo lento (0,4K/min) desde 145K y a una presión constante de 0,81GPa. Forma un cristal romboédrico (véase la imagen (a) a continuación).
De la misma manera, $Ice$ $V$ se forma a partir de agua líquida a 500MPa bajando su temperatura a 253K. Tiene una estructura reticular más compleja y forma cristales monoclínicos (véase la imagen (b) anterior).
"Nieve cuadrada" o $Ice$ $VI$ se forma a partir del agua líquida comprimiéndola a 1,1GPa (10.850atm) y bajando su temperatura a 270K. Su celda unitaria forma cristales tetragonales con todas las moléculas de agua unidas por enlaces de hidrógeno a otras cuatro, lo que da lugar a la formación de cristales dendríticos (de unas 45 micras de diámetro, véase la imagen inferior).
Para ver más imágenes del laboratorio, consulte: http://web.mit.edu/wbdurham/www1/short%20htmls/more%20ice%20photos.html
Referencias:
Estructura y ciencia del agua, Fases del hielo, Hielos conocidos Martin Chaplin.
Fluencia sensible al tamaño del grano en Ice II Kubo, Durham, Stern y Kirby, Science, Vol 311 (2006).
Observaciones visuales de las morfologías de los cristales y de la fusión de Ice IV a presiones de hasta 1GPa Chou y Haselton, Review of High Pressure Science Technology Vol 7 (1998).
Crecimiento dendrítico y de choque del hielo IV inducido por la presión dinámica , Lee, Evans & Yoo, Proceedings of the National Academy of Sciences, Vol 104, No. 22.
