Un equipo del Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS), junto con científicos del European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL) y del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), ha descubierto una nueva fase sólida del agua que puede formarse a temperatura ambiente. Este nuevo tipo de hielo, denominado hielo XXI o Ice XXI, surge cuando el agua líquida se somete a presiones de alrededor de 2 gigapascales, equivalentes a unas 20 000 atmósferas, sin necesidad de enfriamiento. La estructura cristalina resultante, de tipo tetragonal, contiene 152 moléculas de H₂O por celda unitaria, lo que la convierte en una de las configuraciones más densas observadas hasta ahora. Aunque esta fase no es estable en condiciones normales, su creación proporciona una nueva ventana al estudio de las propiedades extremas del agua, con posibles implicaciones en la geofísica, la física de materiales y la exploración planetaria.

El nacimiento del hielo XXI

El descubrimiento del hielo XXI se logró mediante un experimento en el que el agua líquida fue comprimida de forma rápida dentro de una célula de yunque de diamante, un dispositivo que permite alcanzar presiones comparables a las que existen en el manto terrestre. Según explicó Futurism, el proceso de compresión duró apenas unos 10 milisegundos, durante los cuales la presión se elevó hasta los 2 GPa, lo que equivale a un aumento de unas 20 000 veces la presión atmosférica. Una vez alcanzado ese punto, la presión se liberó gradualmente a lo largo de aproximadamente un segundo. Durante ese breve lapso, los científicos observaron cómo el agua dejaba de comportarse como un líquido comprimido para transformarse en una estructura sólida inédita.

Esta transición se registró con la ayuda del European XFEL, uno de los láseres de rayos X más potentes del mundo. Cada pulso del XFEL actuó como una cámara de alta velocidad capaz de captar la reorganización atómica del agua en escalas de tiempo de microsegundos. Los resultados, publicados por ScienceAlert, mostraron que el nuevo hielo poseía una estructura tetragonal, diferente de las fases de hielo conocidas, como el hielo Ih o el hielo VI. A diferencia del hielo ordinario, cuya celda unitaria contiene ocho moléculas de agua, la del hielo XXI incluye 152, un número que sugiere un empaquetamiento mucho más denso.

El hallazgo fue confirmado mediante difracción de rayos X, lo que permitió identificar con precisión las posiciones de los átomos de oxígeno e hidrógeno. Este análisis también reveló que el hielo XXI es metastable, es decir, solo puede mantenerse mientras las condiciones de presión sigan siendo elevadas. En cuanto la presión desciende, la estructura tiende a transformarse en fases más comunes del hielo. Aun así, durante el breve intervalo de su existencia, el material conserva sus propiedades sólidas, lo que lo convierte en una fase intermedia fascinante desde el punto de vista termodinámico.

Profundizando en los aspectos técnicos

El proceso experimental requirió controlar con exactitud tanto la presión como el tiempo de compresión. Los investigadores del KRISS describieron que la presión alcanzó los 2 gigapascales (2×10⁹ pascales) en menos de 0,01 segundos, lo que equivale a una tasa de compresión cercana a los 120 GPa por segundo. La posterior liberación, de alrededor de un segundo, permitió observar la transición desde un estado líquido supercomprimido hasta la cristalización del nuevo hielo. Como señaló Phys.org, esta combinación de compresión ultrarrápida y observación mediante rayos X ultracortos hizo posible detectar un estado que de otro modo habría pasado inadvertido.

En condiciones normales, el agua se congela a 0 °C y una atmósfera de presión, pero el comportamiento de la molécula H₂O cambia radicalmente bajo presión extrema. A medida que las moléculas se acercan unas a otras, los ángulos de enlace y las distancias interatómicas se modifican, dando lugar a estructuras con distinta densidad y simetría. El hielo XXI representa un ejemplo de cómo la presión puede sustituir al enfriamiento como mecanismo de solidificación. En este caso, la temperatura se mantuvo alrededor de 25 °C, un valor que en condiciones normales mantendría el agua líquida, pero la altísima presión forzó la cristalización sin que se produjera enfriamiento.

Este tipo de comportamiento ya se había observado en fases previas, como el hielo VII, que también se forma a altas presiones, aunque en ese caso la temperatura era considerablemente más baja. El hielo XXI, en cambio, amplía los límites del diagrama de fases del agua, mostrando que pueden existir configuraciones sólidas incluso en condiciones que antes se consideraban incompatibles con la congelación.

Implicaciones científicas y tecnológicas

La existencia de un hielo que se forma a temperatura ambiente tiene implicaciones profundas para la física y la química del agua. Durante décadas se ha considerado que las fases sólidas solo podían existir por debajo de los 0 °C, salvo en condiciones de vacío o en laboratorios criogénicos. El descubrimiento del hielo XXI demuestra que la presión puede alterar radicalmente este equilibrio, añadiendo una nueva dimensión al estudio de las transiciones de fase.

Desde el punto de vista científico, el hallazgo amplía el catálogo de estructuras cristalinas del agua, que ya supera las veinte formas reconocidas oficialmente. Tal como comentó Gizmodo, la aparición del hielo XXI obliga a revisar los modelos termodinámicos actuales, especialmente los que describen las fases del agua en condiciones extremas. La posibilidad de obtener hielo a 25 °C indica que el comportamiento del agua sigue siendo más complejo de lo que se creía, incluso después de siglos de estudio.

En el terreno de la planetología, este descubrimiento puede tener un valor incalculable. En el interior de cuerpos helados como Europa, Ganimedes o Titán, las presiones internas superan ampliamente las que se pueden reproducir en la superficie terrestre. Si el agua puede adoptar esta estructura en condiciones similares, es probable que el hielo XXI o fases análogas estén presentes en las capas profundas de esos mundos. Comprender estas estructuras podría ayudar a modelizar el transporte de calor y los movimientos convectivos que influyen en la actividad geológica y, potencialmente, en la habitabilidad de estas lunas.

La física de materiales también se beneficia del hallazgo. Saber que una sustancia tan común como el agua puede formar una estructura sólida compleja bajo condiciones relativamente accesibles abre la puerta a investigar materiales con comportamientos análogos bajo presión. La posibilidad de manipular la presión como variable principal, en lugar de la temperatura, podría inspirar nuevos métodos para fabricar materiales densos, cerámicas avanzadas o incluso estructuras moleculares con aplicaciones electrónicas o ópticas.

Desde el punto de vista técnico, el experimento ilustra cómo la cinética de compresión influye tanto como la presión final. Si el agua se hubiera comprimido más lentamente, es probable que se hubieran formado fases conocidas como el hielo VI o el hielo VII. Sin embargo, la rapidez con la que se aplicó y se liberó la presión creó una trayectoria termodinámica diferente, generando una estructura que no se forma en condiciones de equilibrio. Este fenómeno, conocido como “path dependence” o dependencia del camino de transición, es clave para entender por qué ciertos materiales exhiben propiedades únicas cuando se someten a procesos no lineales.

Una nueva frontera para el estudio del agua

Más allá del entusiasmo mediático, el descubrimiento del hielo XXI nos recuerda que el agua sigue siendo un material extraordinario, capaz de adoptar configuraciones insospechadas. Que una sustancia tan cotidiana aún oculte comportamientos tan complejos pone de manifiesto que la investigación fundamental continúa siendo esencial. Cada nueva fase descubierta ayuda a construir una imagen más completa del diagrama de fases del agua, lo que a su vez repercute en campos tan diversos como la criogenia, la geofísica o la astrobiología.

Desde una perspectiva técnica, la investigación también demuestra el potencial de los experimentos de alta presión combinados con fuentes de rayos X ultrarrápidas, una herramienta indispensable para observar transiciones estructurales que suceden en tiempos inferiores al milisegundo. El control preciso de variables como la presión, la temperatura y el tiempo de exposición permitió aislar una fase que, de otro modo, se habría transformado antes de poder ser observada.

Queda por determinar si el hielo XXI puede reproducirse de forma controlada y si presenta propiedades mecánicas, térmicas o eléctricas distintivas respecto a otras fases. La investigación también plantea la posibilidad de que existan más fases intermedias que aún no se han identificado. Si algo demuestra este descubrimiento es que la materia, incluso la más conocida, sigue guardando secretos que solo pueden revelarse cuando se exploran los límites de sus condiciones físicas.

Reflexión final

El hielo XXI no es un material destinado a la vida cotidiana, pero sí un avance conceptual de gran calado. Nos obliga a reconsiderar cómo entendemos el agua y las condiciones en las que puede existir en estado sólido. También invita a pensar en los océanos subterráneos de los mundos helados del sistema solar y en los posibles estados intermedios que podrían formarse allí. Aunque no veremos este tipo de hielo en un vaso de agua, su descubrimiento confirma que incluso los elementos más familiares pueden adoptar formas inesperadas cuando se someten a la presión adecuada.