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Silvana TapiaJuan Carlos GilFrancis VillatoroHéctor SocasBorja Tosarpolimorfos del hielo bajo presiónfases nuevas del agua a bajas presionesexploración exhaustiva polimorfos hielopresiones medias hasta cien mil atmósferasYu, Yao Chen YuHai Yan YuLaboratorio Estatal de Procesado por SolidificaciónUniversidad Politécnica del NoroesteChinaThe InnovationCell PressJuan Carlos Gilhielo LJúpiterSaturnoSilvanahielo 21hielo 22Héctor SocasCoca-Colahielo 1HFrancis Villatorohielo 5hielo 17hielo 20DFTFrancis Fetenfigura 3hielo 7HOHhielo 4hielo 0figura 7
Polimorfos del hielo bajo presión
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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.
…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…
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 GilPalabras #10densidad 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 fases…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…
Juan Carlos Gil continúa explicando las diferentes formas en que puede congelarse el agua, mencionando la existencia de hielos amorfos de baja, media, alta y muy alta densidad.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #5hielos amorfos de baja densidadespectroscopía en cometas y lunas heladashielo amorfo depositado por vapormoléculas de agua sobre polvo interestelarhielo 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 superiónicohielo 7 descubierto en febreromoléculas rotan libremente hielo 7estructura demencial del hielo lcristal sin estructura similar al hielo l…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 con espectroscopía razonablemente que aparecen en cometas y en las lunas heladas de Júpiter y Saturno y también hay una variante de este hielo amorfo de baja densidad que se llama hielo amorfo depositado 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 las moléculas están en orden cristalino, pero rotan libremente alrededor de las posiciones cristalinas, como si fuese un líquido, pero sin traslación Y para acabar con esta juerga de los hielos, el hielo L, que descubren en el artículo que os voy a contar, hago un poquito también de spoiler, tiene una estructura absolutamente demencial que nunca se ha visto, pero no solo en los hielos, en ningún otro cristal hay nada parecido a esta estructura ¿Y quién es el responsable de esta orgía de estructuras? Pues la aparentemente mojigata molécula de agua, HOH, que no Es lineal, ¿vale? Los dos hidrógenos respecto del oxígeno forman un angulito de unos 104 grados y medio. Y como además los elementos oxígeno-hidrógeno tienen bastante distinta electronegatividad, pues este angulito da lugar a un momento dipolar muy fuerte y a…
Juan Carlos Gil introduce un artículo sobre la exploración de estructuras de polimorfos del hielo bajo presión, destacando su publicación en una revista joven llamada The Innovation.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #2 · Palabras #2exploración polimorfos hielo presiónrevista the innovation cell pressciencia ingeniería y tecnología transversal…refinado varias veces desde entonces, bueno, hasta llegar al potencial para el agua llamado DP-SCAN de 2023 que reproduce de forma muy muy fiel todas las propiedades del agua líquida en un rango amplio de condiciones. Pero, ¿qué pasa con nuestros 22 patitos? ¿Qué pasa con los hielos? ¿Quién nos permite explorar ese vasto paisaje de enlaces de hidrógeno retorcidos bajo presión? Pues es aquí, es este en el contexto en el que aparece el artículo titulado Exploración de las estructuras de los polimorfos del hielo mediante potencial porofundo. Publicado en abierto el 16 de marzo; han pasado unos meses, en una revista que se llama The Innovation, que bueno, es de primer cuartil, es una revista muy joven, yo no la conocía, fue lanzada en 2020, es publicada por Cell Press, la de la revista Cell, que a todos esos así nos sonará, y está orientada a investigación de frontera entre ciencia, ingeniería y tecnología. Es bastante transversal. Los autores de ese trabajo son Yue Feng 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,…
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 #1 · Palabras #1polimorfos 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 describe un proceso de filtrado y poda de estructuras de hielo generadas previamente, utilizando un mapa de energía-densidad para identificar las más estables.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #19mapa energíadensidad figura 3envolvente convexa estructuras hielodiferencia energía corte 18 mevestructuras prometedoras poda filtrado…configuraciones lo más estables posibles. Y al final de esta etapa se hace una pequeña optimización geométrica para garantizar que cada estructura llega a eso, a un mínimo de energía al menos local. La tercera etapa, más allá de la derecha, se llama. Filtración o filtrado de estructuras, que es donde empieza la poda. Aquí nos llegan un montón de estructuras, nos queremos quedar con las prometedoras. Lo que se hace es que se coloca cada una de estas estructuras que llegan en un mapa de energía-densidad, como el de la figura 3, que también quiero comentar luego rápidamente, y se calcula con todas las estructuras la envolvente convexa, la zona donde las estructuras son más estables y solo se conservan; las otras se desechan, las que están en esa frontera o ligeramente por encima. Utilizan una diferencia de energía de corte de 18 mili -electrónvoltios por molécula de agua. Aquí hablamos de milielectrónvoltios, Héctor; no pongas esa cara, no de giga ni teraelectrónvoltios como habláis. A ver, de física de altas energías. Vale, luego también miran estructuras posiblemente duplicadas y desechan una de ellas, mediante lo que llaman…
Juan Carlos Gil describe la visualización de los resultados obtenidos en la generación de estructuras de hielo, mostrando un mapa de energía-densidad donde cada punto representa una estructura y explicando el significado de las líneas Cian y naranja.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #16 · Palabras #18mapa energía-densidad estructuras hielolínea cian envolvente convexaumbral filtrado línea punteada naranjafases del hielo conocidas métodohielos desafiantes como el 4 y 5esquivo hielo 17 metastableestructuras predichas simulaciones autoreshielo i latina minúscula no identificado…mediante nuevas simulaciones por dinámica molecular con potencial porcentaje. No sé si habéis, bueno, montón de palabras; a mí es una belleza que me sublime ya lo que hacen aquí, cosa que yo desconocía; yo me salí de esto hace ya algunas décadas y he flipado. Resultados exploran 131.481 estructuras, más de 130.000. La figura 3 es el mapa de energía-densidad, energía-densidad que os comentaba antes y han puesto todos los puntitos de todas las estructuras; cada puntito azul clarito es una estructura. La línea Cian por debajo es la envolvente convexa de la que os hablaba y 18.000 eV por arriba, la línea punteada naranja, es el umbral de filtrado. Entre ambas líneas están las estructuras que diría Francis Feten, que incluyen, ojo, todas las fases del hielo conocidas a este rango de presiones y temperaturas que el método, sorprendentemente para mí, ha redescubierto sin ningún problema. Incluidas destacan los autores, los desafiantes hielos 4 y 5, que son puñeteros, y el esquivo hielo 17, que es metastable. Todas las estructuras del hielo las recaza el método este. También encuentran varias estructuras que han sido predichas por simulaciones de otros autores como los hielos i latina minúscula, hielo 0, hielo Q mayúscula y hielo c minúscula. Alucinas con los nombres, que no se han identificado todavía experimentalmente. Pero bueno, tanto redescubriendo los hielos naturales como los todavía no descubiertos en la naturaleza, pues les da una enorme confianza que su método está funcionando fenomenal. Vale, pues además de todos los reportados previamente, encuentran 34 hielos nuevos dentro…
Juan Carlos Gil describe la ubicación del hielo L en una figura, señalando que está rodeado de diferentes tipos de hielo y agua líquida debido a las presiones y temperaturas existentes.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #8 · Palabras #8diagrama 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 lhielo l en el manto terrestrered autointerpenetrante de hielo lmoléculas de agua helicoidalesfigura 7 del estudio hielo l…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 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:…
Juan Carlos Gil resume los resultados de un estudio sobre el diagrama de fases del agua y la posible existencia de una nueva forma estable de hielo llamada 'hielo L'.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #4 · Palabras #4hielo l como polimorfo establediagrama de fases del aguafuncionales alrededor del hielo l…que se llama SCAN, pero al menos hay otros dos. Así que han cogido esos otros dos funcionales y han recalculado la envolvente convexa de la que hablábamos antes con esos dos funcionales a ver si salen cosas muy distintas, con lo cual perderíamos confianza. Y bueno, hay discrepancias entre los tres, pero argumentan que precisamente en la zona alrededor de su hielo L, bueno pues los tres funcionales dan cosas bastante parecidas, así que su diagnóstico es que el hielo L es un candidato prometedor a un nuevo polimorfo estable del hielo. Voy concluyendo. ¿Por qué creo yo que es importante lo que cuenta este artículo? Primero, por el fantástico resultado metodológico: han puesto a punto un método de exploración de estructuras de materia condensada que combina un algoritmo evolutivo para generar estructuras,…
Juan Carlos Gil comenta sobre la identificación de nuevos polimorfos del hielo, destacando el potencial del 'hielo L' para su caracterización en laboratorios.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #3 · Palabras #3agua a bajas y medias presioneshielos reales y potenciales profundosprecisión cuántica en el cálculo estructuralmétodo dft para paisaje del hieloestudio del paisaje del hielo gilaplicación del método a otros camposcarbono y silicio redes flexiblesenlaces de hidrógeno metanol amoníacohielos mezclados agua metano amoníacopotencial astrobiología juan carlos gilhielo l accesible en laboratoriospolimorfos del hielo planetatemperaturas decentes humanas hielo l…de densidad y una función de huella dactilar, un proceso de aprendizaje automático para reentrenar la red neuronal profunda, todo ello salpimentado con cálculos de la teoría del funcional de la densidad. En fin, no sé si alguien da más, pero es apabullante. Segundo resultado, al aplicar este método al agua, a bajas y medias presiones, han redescubierto todo lo que había por redescubrir. Los hielos reales, los sospechosos, propuestos anteriormente, lo que demuestra que el potencial profundo, hombre, describe la naturaleza de forma razonable. Ellos dicen siempre precisión cuántica. Bueno, el término podría ser discutible, pero realmente es una forma de calcular estas estructuras y sus energías muy próxima. A un DFT completo. Obviamente nadie ha podido hacer esto en toda la profundidad de presiones y temperaturas porque no había forma de hacerlo rápido. Por lo tanto, este método, en palabras de los autores y en mi opinión, abre una nueva etapa en el estudio del paisaje del hielo. Pero no solo del hielo, el método es perfectamente aplicable a otras sustancias que tengan redes flexibles y direccionales como el carbono o el silicio, en fin, buenos candidatos. U otras sustancias que tengan enlaces de hidrógeno, metanol, amoníaco, urea, y os recuerdo que muchos materiales planetarios están formados por hielos mezclados de agua, de metano, de amoníaco, estos bichitos que nos aparecen por aquí, así que tiene realmente mucho potencial, incluso en astrobiología, diría yo, viniéndome arriba. Identifican 34 polimorfos del hielo completamente nuevos, así que los Grupos experimentales del ámbito del hielo del planeta estarán tratando de caracterizarlos. Uno de ellos, al que llaman hielo L, es especialmente prometedor para su identificación; aparece entre menos y más 20 grados a temperaturas muy decentes humanas y pocas miles de atmósferas de presión, perfectamente accesibles a cualquier laboratorio. Y por último, y esto me pasa a menudo, por Eso elijo los artículos, pues una cuestión personal. El modelo TIP 4P 2005, os he dicho que es el campeón entre los modelos clásicos del agua, el estándar de oro, incluso a día de hoy, o al menos hasta ayer, hasta que se hizo este trabajo, era de Abascal y…
Juan Carlos Gil comenta sobre el descubrimiento del hielo 21 y 22, siendo este último el primer polimorfo descubierto en décadas. Describe su intento de identificar el hielo 21 entre 34 candidatos mencionados en un artículo científico.
Habla: Juan Carlos GilSignificado #10 · Palabras #5hielo 22 primer polimorfo décadasartículo científico candidatos hielo 21densidad 134 gramos centímetro cúbico…año solemos reunirnos JL y sus doctores, entre ellos yo, y así hemos hecho hace poco, y entonces hemos hablado sobre todo esto. Me lo han contado en detalle y me lo han empollado para contároslo a vosotros, y desde mayo hasta ahora en el interim os decía. ¿Que se ha descubierto el hielo 22, el hielo 21? Se ha descubierto en octubre; es el primer polimorfo que se descubre en décadas. Ya ha sido justo ahora cuando estaba yo empollándome todo eso. Así que, ya picado por la curiosidad, me he entretenido a ver si conseguía localizar este hielo 21 entre los 34 candidatos que dice este artículo. Y bueno, pues no es concluyente mi análisis. Sí que hay un montoncito de formas que están muy cerquita de la densidad, 1,34, 1,41 gramos por centímetro cúbico, que dicen los autores. Pero me faltan datos para identificar exactamente si corresponde a uno de estos 34. No lo dirán ellos, supongo, en breve. Y hasta aquí todo lo que os quería contar sobre esto. Perfecta sincronización porque creo que Silvana nos tiene que ir dejando pues casi como que ya. ¿Eso es así, Silvana? Vale, pues nada. Y entra Borja. Hacemos el cambio porque no se va a quedar un sitio libre. Así que Borja, te puedes sentar en el sitio que deja Silvana. Gracias, Silvana, hasta la próxima. Y feliz Navidad, si no nos vemos. Venga, Silvana, feliz Navidad.…