La memoria del universo está congelada: el hielo cósmico no olvida su origen

El hielo más común del universo tiene memoria. Lejos de ser el vidrio desordenado que se pensaba, su estructura esconde diminutos cristales que recuerdan su origen, una revelación que obliga a reevaluar su papel en fenómenos tan cruciales como el origen de la vida en el cosmos o la criopreservación de órganos en la Tierra.

El agua es, sin duda, la sustancia más familiar y, a la vez, una de las más enigmáticas de la naturaleza. Aunque la conocemos en sus estados líquido, sólido y gaseoso, esconde una complejidad asombrosa, con más de 20 formas de hielo cristalino identificadas en laboratorio. Sin embargo, la forma más común de agua en el universo no es el hielo que encontramos en nuestros congeladores, sino una variante mucho más exótica: el hielo amorfo de baja densidad (LDA). Este "hielo cósmico" constituye la mayor parte de los cometas y abunda en las nubes moleculares donde nacen estrellas y planetas.

Durante casi 90 años, la comunidad científica ha considerado al LDA como un sólido verdaderamente amorfo, es decir, un vidrio de agua con una estructura molecular desordenada, similar al vidrio de una ventana. Esta suposición ha sido fundamental para modelos que intentan explicar las más de 70 anomalías del agua líquida y fenómenos cosmológicos. Sin embargo, una investigación publicada en Physical Review B desafía esta visión fundamental, presentando pruebas contundentes de que el LDA no es completamente amorfo, sino un material híbrido con una estructura parcialmente cristalina oculta.

El dilema de un vidrio de agua

Un material cristalino, como un copo de nieve o un diamante, se caracteriza por tener sus átomos organizados en una red ordenada y repetitiva. En contraste, un material amorfo o "vítreo" carece de este orden a larga distancia. La naturaleza exacta del LDA ha sido objeto de un intenso debate, ya que su patrón de difracción de rayos X muestra picos anchos y difusos, característicos de los materiales amorfos.

No obstante, algunos estudios previos ya habían sugerido que el LDA podría tener una naturaleza más "cristalina" de lo que se pensaba. Resolver esta ambigüedad es crucial, ya que la estructura del LDA influye en todo, desde su posible papel en el origen de la vida hasta su importancia para entender las propiedades anómalas del agua líquida.

Doble enfoque para descifrar el misterio

Para abordar esta cuestión, un equipo de investigadores del University College de Londres y la Universidad de Cambridge empleó un enfoque combinado de simulaciones computacionales y experimentos de laboratorio.

En primer lugar, los científicos utilizaron dos de los modelos de agua más reconocidos (mW y TIP4P/2005) y exploraron dos vías diametralmente opuestas para crear LDA en sus simulaciones. Por un lado, simularon el enfriamiento ultrarrápido (o "apagado") de agua líquida a diferentes velocidades. Descubrieron que los modelos que mejor reproducían los datos experimentales del LDA no eran ni completamente amorfos ni completamente cristalinos. El mejor ajuste se encontraba en un punto intermedio, un escenario "Ricitos de Oro" donde el hielo estaba parcialmente cristalizado, con pequeños granos de hielo cristalino incrustados en una matriz de hielo amorfo. Los modelos que eran demasiado desordenados u ordenados no coincidían con las observaciones reales.

Por otro lado, en el segundo enfoque, construyeron grandes estructuras compuestas por miles de pequeños granos de hielo cristalino orientados al azar. Al relajar estas estructuras, las inevitables tensiones y desajustes en las fronteras entre los granos generaron regiones amorfas. De nuevo, el modelo que mejor replicaba al LDA experimental resultó ser una estructura parcialmente cristalina, con aproximadamente un 25% de material cristalino y un 75% de material amorfo.

El hecho de que dos métodos tan distintos y dos modelos de agua diferentes convergieran en la misma conclusión fortaleció enormemente la idea de que el LDA real es, de hecho, parcialmente cristalino.

El Efecto Memoria

Pero el experimento no terminó ahí porque la evidencia experimental provino de un ingenioso hallazgo: el "efecto memoria". Si el LDA fuera un material verdaderamente amorfo, su "historia" —es decir, cómo se formó— no debería influir en su comportamiento posterior. Al calentarlo, debería cristalizar siempre de la misma manera, se plantearon los autores de este trabajo.

Para probarlo, prepararon LDA a partir de siete "materiales parentales" diferentes (como hielo de alta densidad, hielo formado por deposición de vapor, etc.). Luego, calentaron suavemente cada muestra de LDA hasta que se transformó en hielo cristalino. El resultado fue revelador: la estructura del hielo resultante variaba significativamente dependiendo del material de origen del LDA.

Este efecto memoria es incompatible con una estructura totalmente amorfa. La única explicación plausible es que las muestras de LDA ya contenían diminutos "nanocristales" semilla, cuya estructura heredaron de su material parental. Al calentarse, estos nanocristales actuaron como núcleos para el crecimiento de cristales más grandes, conservando así una "memoria" de su origen.

Implicaciones de un hielo redefinido

El descubrimiento de que el LDA es una estructura híbrida amorfa-cristalina tiene consecuencias de gran alcance.

En primer lugar, el estudio sugiere que el LDA está compuesto por nanocristales de hielo de entre 15 y 30 Å (1.5 a 3 nanómetros) de diámetro. Su pequeño tamaño y su disposición aleatoria son la razón por la que habían pasado desapercibidos durante tanto tiempo, produciendo patrones de difracción que imitaban a los de un material puramente amorfo. Además, resuelve el debate sobre subestados como LDA-I y LDA-II, sugiriendo que no son fundamentalmente diferentes, sino variaciones del mismo estado parcialmente cristalino con sutiles diferencias en la cristalinidad.

En relación con la astroquímica y cosmología, el estudio constata que la superficie del hielo en el espacio actúa como un catalizador para reacciones químicas que se cree que forman moléculas orgánicas complejas, precursoras de la vida. La presencia de dominios cristalinos en este hielo podría alterar significativamente estas reacciones.

El estudio tiene también repercusiones para la criopreservación y microscopía crioelectrónica (Cryo-EM): técnicas como la preservación de órganos o la obtención de imágenes de alta resolución de biomoléculas dependen de la vitrificación del agua, es decir, de convertirla en un vidrio sin cristales. Este hallazgo sugiere que lograr un estado verdaderamente amorfo es más difícil de lo que se creía, y la presencia de nanocristales no detectados podría dañar las muestras biológicas.

Por último, el estudio representa un desafío para otros "vidrios": plantea una pregunta fundamental sobre otros materiales considerados amorfos, como el silicio amorfo utilizado en la electrónica. Podría ser que muchos "vidrios" alberguen un orden cristalino oculto a nanoescala, abriendo nuevas vías para el diseño de materiales con propiedades innovadoras.

Este trabajo pone patas arriba nuestra comprensión de uno de los materiales más estudiados y abundantes del universo y establece que el hielo cósmico, lejos de ser un simple vidrio desordenado, posee una elegante y compleja estructura híbrida que apenas comenzamos a comprender.