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Silvana TapiaJuan Carlos GilFrancis VillatoroHéctor SocasBorja Tosaragua abundante en el universoescasez de agua y distribución terrestreplaneta agua versus planeta tierrapresión atmosférica del agua terrestreagua en estado gaseoso y sólidodisolvente universal biología terrestremolécula de agua h2osingularidad del agua terrestredensidad del agua a 4 grados centígradoshielo menos denso que aguacongelación del agua a 0 gradoshielo no hundirse crucial vidacapa de hielo aislante térmicoecosistemas acuáticos inviernos durosdiagrama de fases agua presión atmosféricablog francis complicado diagrama fasesagua líquida baja densidadpresiones altas en planetas heladossimulaciones de fases del agualíquido de baja densidadlíquido de alta densidadtransición de fase y discontinuidad bruscaagua estados líquidos líquidopresiones en la tierra maresmezcla de fases agua bebidaFrancis VillatoroJuan Carlos GilDFTAmundsenScottYu, Yao Chen YuHai Yan YuLaboratorio Estatal de Procesado por SolidificaciónUniversidad Politécnica del NoroesteChinahielo LCoca-ColaTierraHéctor Socashielo 1Hhielo 21hielo 5hielo 17hielo 20Gastón Giribetfigura 7Solplaneta TierraH2Ofigura 6
Diagrama de fases Agua presión atmosférica
Con
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Juan Carlos Gil explica la importancia crucial de la peculiaridad del hielo de no hundirse al congelarse, lo cual es esencial para la vida en la Tierra y permite la supervivencia de ecosistemas acuáticos durante los inviernos.
…que es el agua la tercera molécula más abundante del universo, tras el hidrógeno molecular y el monóxido de carbono. El agua aparece en cometas, en nubes interestelares, en atmósferas exoplanetarias; las hemos visto ya, vamos, que está por todos los lados. En torno a los cometas, que luego hablaremos bastante de eso, hablando de hielo y de agua Es omnipresente El agua es de lo más abundante que hay en el universo, a veces la gente se queja El problema de la escasez de agua en nuestro mundo es falta de tener las cosas, saber repartir las cosas y distribuirlas y llevar las cosas donde se necesita Porque el cosmos está, vamos, de lo más abundante que hay es agua Bueno, y en la Tierra, en forma líquida, ya sabes que cubre las tres cuartas partes del planeta, que quizá deberíamos haberle llamado planeta agua, en vez de planeta Tierra, pero es que además aparece de forma natural a presión atmosférica, También en forma gaseosa y sólida en nuestro planeta, en la superficie, lo que es realmente excepcional; eso no ocurre con ninguna otra sustancia y además, no se nos escapa, es el disolvente universal de la biología terrestre. Todos los organismos que conocemos dependen del agua. Su molécula es realmente simple: H2O, hidrógeno, oxígeno, hidrógeno. Y sin embargo, el agua se comporta de una forma muy, muy sorprendentemente compleja a veces. Para empezar, sonora a muchos, el agua al enfriarse no se hace más densa todo el rato como la gran mayoría de las sustancias en el camino hacia la congelación, sino que presenta un máximo de densidad a 4 grados centígrados a presión atmosférica, digo, y luego disminuye un poquito a temperaturas más bajas, incluso cuando se congela el agua a 0 grados, de tal forma que el hielo es menos denso que el agua y por eso flota sobre ella, lo que podría ser una curiosidad sin más, pero No es así, es crucial para la vida. Si el hielo se hundiese, los lagos, los mares, al congelarse, pues lo harían de abajo hacia arriba y con toda probabilidad no estaríamos haciendo un podcast porque el planeta estaría muerto. En cambio, una pequeña capa de hielo cuando consigue formarse en la superficie de un lago actúa de aislante térmico y permite que el agua líquida por debajo, fresquita, pero hace que sobrevivan los ecosistemas acuáticos incluso en los inviernos más duros. Y decía, todo eso a presión atmosférica, porque cuando miramos al agua, toda esa complejidad a presión atmosférica, si la miramos a otras presiones, bueno, pues descubrimos que el agua tiene uno de los diagramas de fases más endiablado de cualquier sustancia pura. Estabas sintiendo Francis, vi que tienes una entrada en tu blog, me documenté para esto de noviembre de 2019 que llamaste Francis el complicado diagrama de fases del hielo de agua, y de eso. vamos a hablar. Para empezar, no existe un único agua líquida, sino que hay tres estados estructurales, digamos, llamados de baja densidad, de alta densidad y de muy alta densidad. No nos hemos complicado con esos nombres. Los dos primeros coexisten en condiciones normales, lo que yo llamo condiciones amables, mientras que el tercero aparece a presiones muy altas que podrían darse en el interior de los planetas helados. Más aún, tanto las simulaciones como la teoría apuntan a que el agua podría tener dos fases líquidas, verdaderas. No tres estados, sino verdaderas fases. ¿Qué diferencia hay entre lo ¿Que llamas estados y lo que llamas fases? En una transición de fase hay una discontinuidad brusca de determinadas propiedades y en esto de los estados no es así, pero es más interesante esto de efectivamente que hay o debería haber, no se han detectado inequívocamente de forma experimental, lo que llaman líquido de baja densidad y líquido de alta densidad, que estarían por tanto separados por un punto crítico líquido-líquido. Que mola mucho los puntos críticos son de las tres fases, pues este sería un líquido-líquido. Y seguimos con el lío del agua. El agua puede... Perdona que te interrumpa, es que esto me parece muy fascinante. ¿Puede ocurrir, por ejemplo, en los mares o tiene que ser a presiones que no se dan en la Tierra? El líquido, líquido. Dices: el punto, este está en condiciones normales. O sea, el agua que te bebes del vaso se teoriza que es una mezcla de esas dos fases. Es bastante flipante. Y mucha gente lo está persiguiendo, pero es muy, muy sutil. decía que puedes también congelar, enfriar mucho el agua sin cristalizar y dar lugar a hielos amorfos que, y a nadie le sorprende porque ya lo he dicho varias veces, los hay de baja, media, alta y muy alta densidad. Hay cuatro amorfos y se cree, bueno, se ve…
Significado #1 · Palabras #1
Juan Carlos Gil explica la importancia crucial de la peculiaridad del hielo de no hundirse al congelarse, lo cual es esencial para la vida en la Tierra y permite la supervivencia de ecosistemas acuáticos durante los inviernos.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #1 · Palabras #1agua abundante en el universoescasez de agua y distribución terrestreplaneta agua versus planeta tierrapresión atmosférica del agua terrestreagua en estado gaseoso y sólidodisolvente universal biología terrestremolécula de agua h2osingularidad del agua terrestredensidad del agua a 4 grados centígradoshielo menos denso que aguacongelación del agua a 0 gradoshielo no hundirse crucial vidacapa de hielo aislante térmicoecosistemas acuáticos inviernos durosdiagrama de fases agua presión atmosféricablog francis complicado diagrama fasesagua líquida baja densidadpresiones altas en planetas heladossimulaciones de fases del agualíquido de baja densidadlíquido de alta densidadtransición de fase y discontinuidad bruscaagua estados líquidos líquidopresiones en la tierra maresmezcla de fases agua bebida…que es el agua la tercera molécula más abundante del universo, tras el hidrógeno molecular y el monóxido de carbono. El agua aparece en cometas, en nubes interestelares, en atmósferas exoplanetarias; las hemos visto ya, vamos, que está por todos los lados. En torno a los cometas, que luego hablaremos bastante de eso, hablando de hielo y de agua Es omnipresente El agua es de lo más abundante que hay en el universo, a veces la gente se queja El problema de la escasez de agua en nuestro mundo es falta de tener las cosas, saber repartir las cosas y distribuirlas y llevar las cosas donde se necesita Porque el cosmos está, vamos, de lo más abundante que hay es agua Bueno, y en la Tierra, en forma líquida, ya sabes que cubre las tres cuartas partes del planeta, que quizá deberíamos haberle llamado planeta agua, en vez de planeta Tierra, pero es que además aparece de forma natural a presión atmosférica, También en forma gaseosa y sólida en nuestro planeta, en la superficie, lo que es realmente excepcional; eso no ocurre con ninguna otra sustancia y además, no se nos escapa, es el disolvente universal de la biología terrestre. Todos los organismos que conocemos dependen del agua. Su molécula es realmente simple: H2O, hidrógeno, oxígeno, hidrógeno. Y sin embargo, el agua se comporta de una forma muy, muy sorprendentemente compleja a veces. Para empezar, sonora a muchos, el agua al enfriarse no se hace más densa todo el rato como la gran mayoría de las sustancias en el camino hacia la congelación, sino que presenta un máximo de densidad a 4 grados centígrados a presión atmosférica, digo, y luego disminuye un poquito a temperaturas más bajas, incluso cuando se congela el agua a 0 grados, de tal forma que el hielo es menos denso que el agua y por eso flota sobre ella, lo que podría ser una curiosidad sin más, pero No es así, es crucial para la vida. Si el hielo se hundiese, los lagos, los mares, al congelarse, pues lo harían de abajo hacia arriba y con toda probabilidad no estaríamos haciendo un podcast porque el planeta estaría muerto. En cambio, una pequeña capa de hielo cuando consigue formarse en la superficie de un lago actúa de aislante térmico y permite que el agua líquida por debajo, fresquita, pero hace que sobrevivan los ecosistemas acuáticos incluso en los inviernos más duros. Y decía, todo eso a presión atmosférica, porque cuando miramos al agua, toda esa complejidad a presión atmosférica, si la miramos a otras presiones, bueno, pues descubrimos que el agua tiene uno de los diagramas de fases más endiablado de cualquier sustancia pura. Estabas sintiendo Francis, vi que tienes una entrada en tu blog, me documenté para esto de noviembre de 2019 que llamaste Francis el complicado diagrama de fases del hielo de agua, y de eso. vamos a hablar. Para empezar, no existe un único agua líquida, sino que hay tres estados estructurales, digamos, llamados de baja densidad, de alta densidad y de muy alta densidad. No nos hemos complicado con esos nombres. Los dos primeros coexisten en condiciones normales, lo que yo llamo condiciones amables, mientras que el tercero aparece a presiones muy altas que podrían darse en el interior de los planetas helados. Más aún, tanto las simulaciones como la teoría apuntan a que el agua podría tener dos fases líquidas, verdaderas. No tres estados, sino verdaderas fases. ¿Qué diferencia hay entre lo ¿Que llamas estados y lo que llamas fases? En una transición de fase hay una discontinuidad brusca de determinadas propiedades y en esto de los estados no es así, pero es más interesante esto de efectivamente que hay o debería haber, no se han detectado inequívocamente de forma experimental, lo que llaman líquido de baja densidad y líquido de alta densidad, que estarían por tanto separados por un punto crítico líquido-líquido. Que mola mucho los puntos críticos son de las tres fases, pues este sería un líquido-líquido. Y seguimos con el lío del agua. El agua puede... Perdona que te interrumpa, es que esto me parece muy fascinante. ¿Puede ocurrir, por ejemplo, en los mares o tiene que ser a presiones que no se dan en la Tierra? El líquido, líquido. Dices: el punto, este está en condiciones normales. O sea, el agua que te bebes del vaso se teoriza que es una mezcla de esas dos fases. Es bastante flipante. Y mucha gente lo está persiguiendo, pero es muy, muy sutil. decía que puedes también congelar, enfriar mucho el agua sin cristalizar y dar lugar a hielos amorfos que, y a nadie le sorprende porque ya lo he dicho varias veces, los hay de baja, media, alta y muy alta densidad. Hay cuatro amorfos y se cree, bueno, se ve…
Juan Carlos Gil continúa explicando la diversidad de estados del hielo, más allá del hielo común que se usa en bebidas, mencionando la existencia de 22 fases distintas con disposiciones moleculares específicas.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #9hielo cristalino y fases distintasfases del hielo condiciones presión temperaturahielo 1h fase hexagonal habitualhielo 1c variante cúbica metaestablehielo 21 descubierto hace dos mesesfases ordenadas y desordenadas en protoneshielo 5 con anillos de moléculas de aguaanillos hexagonales del hielo coca colared cristalina de oxígenos fases 17 y 20protones fluyen libremente en el hielo superiónico…por vapor que se cree que sería la forma de agua más abundante del universo porque se forma al hacerse deposición de moléculas de agua sobre los granos de polvo interestelar y ahí pues hay granos de polvo a mansalva. Y si nos metemos ya con el sólido, con el hielo cristalino, ¡boom! Aquí ya la diversidad explota. El hielo que ponemos en la Coca-Cola no es más que la punta del iceberg. ¡Ojo al chistaco! Que cuando se me ocurrió lo dejé, esto lo tengo que soltar. Ojo con la metáfora Conocemos, ojo al dato, 22 fases distintas del hielo, los dos partitos para que no se nos olvide Cada una con disposiciones moleculares específicas determinadas por las condiciones de presión y temperatura Desde el hielo 1H, que es la fase hexagonal habitual El 1C, que es una variante cúbica, de ahí la C, que es metaestable, y luego los hielos 2, 3, 4, así sucesivamente, se identifican con números romanos hasta llegar al hielo 21, que se ha descubierto hace menos de dos meses. Y luego hablaré de él, aunque no es el objetivo principal de lo que os quiero contar. Varios de estos hielos tienen, como decías antes Héctor, estructuras Rarísimas. Para empezar, hay muchas fases que vienen por parejas: una que se llaman ordenadas en protones y otras desordenadas en protones. Ahora no recuerdo números, pero es poner que el 5 y el 8 son la misma fase. Pero en una los hidrógenos están distribuidos de forma semi-aleatoria y en la otra están ordenados. Hay redes irregulares, como la del hielo 5, que es bastante particular, que tiene anillos de moléculas de agua de 4, 5, 6 y 8 moléculas. El hielo decente, el normalito, el de la Coca-Cola, tiene anillos hexagonales. Hay hielos superiónicos, las fases 17 y 20, en la que los oxígenos forman efectivamente una red cristalina. Pero los protones, volvemos a lo de antes, los cationes y hidrógeno fluyen libremente a través de esta red. de oxígeno, es como si fuese un metal, pero en vez de electrones son los protones los que fluyen Hay fases plásticas, el hielo 7, que se ha descubierto en febrero de este año, o sea, este mundo es una juarga, vamos El hielo 7, recién descubierto, es tal que…
Juan Carlos Gil explica que las simulaciones por ordenador son una herramienta clave para estudiar el diagrama de fases del agua, comparándolas con las exploraciones polares de Amundsen y Scott.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #3 · Palabras #5simulaciones ordenador diagrama fases aguaexploraciones polares amundsen y scottmateria condensada simulacion por ordenador…se emplean celdas de yunque de diamante. Tanto en su versión estática como una razonablemente reciente, es una celda dinámica que es capaz de comprimir a lo bestia lo que le pongas ahí en microsegundos y está muy bien para estudiar cinéticas rápidas. Pero La herramienta que nos permite convertirnos en los Amundsen y Scott, exploradores del hielo, del hielo en particular y el diagrama de fases del agua en general, bueno pues es la simulación, la simulación por ordenador, que os quiero contar muy rápidamente cómo va esto de la simulación de materia condensada. La idea central es que si conocemos cómo interactúan las moléculas entre sí, podemos hacer que un ordenador pues imite su comportamiento. En la práctica esto requiere definir un potencial de interacción, una función que asigna una energía potencial a cada…
Juan Carlos Gil plantea las preguntas científicas que guían el artículo sobre estructuras de polimorfos del hielo bajo presión, explorando el paisaje completo de estos polimorfos a bajas y medias presiones.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #8 · Palabras #3polimorfos del hielo bajo presiónfases nuevas del agua a bajas presionesexploración exhaustiva polimorfos hielopresiones medias hasta cien mil atmósferas…Lei, Xiang Yan Yu, Yao Chen Yu y Hai Yan Yu. No consigo nunca traer autores que pueda pronunciar, amigos. En fin, todos del Laboratorio Estatal de Procesado por Solidificación de la Universidad Politécnica del Noroeste, en Xi'an, China, como era de esperar. Vale, pues la pregunta científica que estos autores se plantean es: ¿Cómo es realmente el paisaje completo de los polimorfos del hielo a bajas y medias presiones? ¿Y qué fases nuevas del hielo, del agua, podrían esconderse ahí? Y lo que hacen es una exploración exhaustiva de los polimorfos del hielo desde una hasta cien mil atmósferas. Ojo, que a esto lo llaman ellos presiones medias, o sea que hay todavía campo hacia arriba de la presión. Vale, pues para ello los autores ponen a punto un método de predicción de estructuras cristalinas que está descrito en la figura 1 del artículo y que es su principal aportación metodológica, y que os tengo que contar rápidamente: primero para que os fascinéis…
Juan Carlos Gil explica cómo se utiliza un potencial específico para calcular el diagrama de fases del agua, mencionando una técnica de integración termodinámica y advirtiendo sobre una complejidad que prefiere no explicar debido a las reacciones del público.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #2 · Palabras #2potencial específico y diagrama fases aguaintegración termodinámica para el aguadft estructuras a temperatura cerodiagrama de fases a temperaturas integradascálculo dft para diagrama de fasespotencial profundo y precisión experimentalfigura 6 comparativa experimentaldiagrama de fases y estabilidad hielo lhielo l nomenclatura poco acertadahielo celeste oportunidad perdidahielo l rodeado de hielo coca colaagua líquida bajo presión y temperaturapuntos triples en hielo l…de forma abierta, claro, y son dos millones de parámetros de la red neuronal entre pesos y sesgos, pues ahí hay dos millones de numeritos, también publican el código, con lo cual, pues fenomenal, ciencia abierta para seguir acercándonos a la realidad natural. Con ese potencial y utilizando integración termodinámica calculan el diagrama de fases del agua. Aquí hay una sutil cosa pero no me quiero meter porque ya me estáis empezando a mirar raro. La diferencia en el DFT da las estructuras a temperatura cero. Si quieres hacer un diagrama de fases a temperaturas pues tienes que integrar, tienes que ir enchufando la temperatura. Bueno, el caso es que calculan con su potencial profundo, con una precisión, dicen, equivalente, siempre con comillas, pero oye, es que si no sería imposible, pues a la quedaría una DFT de cada punto de ese diagrama de fases. Y lo comparan con el experimental, que está en la figura 6. Las líneas grises son el experimento y las rojas este trabajo. Y es en este diagrama de fases donde aparece el otro resultado fundamental de este trabajo: una región de estabilidad, encuentran en la línea. En la figura está coloreado de cian, una región de estabilidad que los autores llaman hielo L, que jolín, qué oportunidad perdida para haberlo llamado hielo cian y haber seguido jugando, haciendo ese jueguecillo del hielo amarillo o hielo celeste. Mira, hielo celeste, bueno, como se dice eso, bueno, el hielo L y realmente, ahora que lo pienso, no sé a qué viene la L. Hielo del cielo, más que celeste, hielo del cielo hubiera quedado. Vamos, que había, bueno. El caso es que está rodeado, si veis la figura pues lo ves, está rodeado de 4, del 1H, el hielo de la Coca-Cola. El 2, el 5 y el mismo agua líquida por debajo, porque está a presiones, está a temperaturas decentes dando lugar, por tanto, si existe a cuatro nuevos puntos triples, ¿vale? Según los autores, bueno pues podría existir en el manto terrestre o en el interior de planetas y lunas heladas. El hielo L lo tienen ahí en la simulación; tienen las coordenadas, analizan su estructura y resulta ser endiablada. La llaman red…
Juan Carlos Gil reflexiona sobre una estructura compleja del agua encontrada en una celda unidad, comparándola con ideas que podrían gustarle a Gastón Giribet. A continuación, plantea la cuestión de si el hielo L descrito es real o no.
Habla: Juan Carlos GilPalabras #17estructura rara del agua celda unidadhielo l y discrepancias diagramas fasesdiagrama de fases calculan experimental…red autointerpenetrante, con dos tipos distintos de moléculas de agua: unas de ellas interconectadas en forma de cadenas helicoidales, mientras que otras moléculas unen estas hélices. Son las moléculas de color rojo y azul respectivamente en la figura 7. Además, si estuviese Gastón le gustaría; en la celda unidad hay hélices que giran en un sentido y otras que giran en el otro. A mí me dan tiempo infinito para inventarme una estructura rara del agua y no se me ocurre esta barbaridad. Bueno, la gran pregunta: ¿este hielo L es real o no? Hay que fijarse; a eso hacen los autores, en las discrepancias entre el diagrama de fases que calculan y es la experimental, que son visibles en la figura. Dicen los autores que la fuente principal de error de Su método es la selección del funcional para el término que se llama de intercambio o correlación de la teoría del funcional de la densidad. Bueno, un montón de palabras, pero es la clave del DFT; de hecho, a menudo nos llamamos a las distintas DFTs por qué…
Héctor Socas explica la diferencia en comportamiento entre el metanol y el cianuro de hidrógeno presentes en un cometa, relacionándolo con la sublimación desde el núcleo del mismo.
Habla: Héctor SocasSignificado #18sublimación cianuro hidrógeno cometanúcleo cometa corteza heladafase líquida atmósfera planetariahielo estado sólido cosmos…tantas antenas que hacen interferometría, puede tener una buena resolución espacial y formar imagen. O sea que podemos ver la coma no como un solo punto sino ver diferencias en diferentes partes de la coma. Entonces lo más relevante de este paper es que hay Comportamiento muy diferente entre el metanol y el cianuro de hidrógeno. El cianuro de hidrógeno es consistente con que sea directamente sublimado desde el núcleo, o sea que sea parte de esa corteza que tiene el núcleo y que por el calor del sol al acercarse al sol se sublima. Recordemos que la fase líquida casi no existe en el cosmos; tiene que ser en sitios como una atmósfera planetaria. En general, en el cosmos el hielo, todo está en estado de hielo cuando está muy frío y cuando lo calientas pasa directamente a gas, eso se llama sublimar y eso es lo que pasa en los cometas, por eso sueltan chorros, porque de repente el hielo no se derrite sino que se convierte en gas y ese gas se evapora y si es mucho pues forma chorros. entonces el cianuro de hidrógeno que detectan es compatible, no se puede descartar que no se forme también en la cola por reacciones pero es consistente lo que se observa con los modelos en los cuales se sublima directamente del material que forma el núcleo,…