Toma agua. Añadir cloruro de sodio. Enfriar y exprimir en hielo salado.

Mar 07, 2023

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Los compuestos creados en laboratorio, nunca antes vistos, podrían existir naturalmente en lunas heladas en el sistema solar exterior.

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Por Kenneth Chang

Los científicos han descubierto dos nuevas formas de hielo salado que probablemente no existan naturalmente en la Tierra, pero que podrían encontrarse en lunas heladas más alejadas del sistema solar.

"Estas estructuras no se parecen en nada a lo que se ha descrito antes", dijo Baptiste Journaux, profesor asistente interino de ciencias de la tierra y el espacio en la Universidad de Washington.

Escribiendo en la edición del 20 de febrero de Proceedings of the National Academy of Sciences, el Dr. Journaux y sus colegas describen dos nuevas combinaciones sólidas y heladas de dos de las sustancias más comunes que se encuentran en la Tierra: agua y cloruro de sodio, mejor conocido como mesa. sal.

Los cristales recién descubiertos se formaron, inesperadamente, cuando el agua salada se enfrió a bajas temperaturas y se exprimió a altas presiones.

El agua salada es abundante en la Tierra, después de todo, llena los océanos, y los químicos saben desde hace mucho tiempo cómo se comporta en las condiciones de la Tierra. El hielo en este planeta rara vez es salado.

De hecho, el cloruro de sodio (cada molécula consta de un átomo de sodio y un átomo de cloro) a menudo se considera primero como un anticongelante, que reduce la temperatura de congelación del agua. Es por eso que se propaga en las carreteras durante las tormentas de nieve. Cuando el agua salada se congela, los cristales de hielo que se forman están hechos de agua pura con los iones de sodio y cloruro expulsados ​​al líquido restante.

A temperaturas lo suficientemente frías, el agua supersalada residual comienza a solidificarse, formando hidrohalita, un cristal o hidrato rígido que contiene agua. El hidrohalito consta de dos moléculas de agua por cada cloruro de sodio.

En las últimas décadas, los científicos planetarios han descubierto una gran cantidad de mundos en el sistema solar exterior que poseen océanos de agua líquida bajo sus cortezas heladas. Estos incluyen Europa y Ganímedes, dos lunas de Júpiter, y Titán y Encelado, dos lunas de Saturno. El Dr. Journaux quería estudiar el papel que podría desempeñar la sal para evitar que los océanos de estos mundos se congelen.

Para reproducir esas condiciones, una pizca de agua salada se enfrió a temperaturas tan bajas como menos 190 grados Fahrenheit y se apretó entre dos piezas de diamante a presiones de hasta 25 000 veces las habituales 14,7 libras por pulgada cuadrada que el aire presiona contra nosotros en la superficie de la Tierra. .

"Inicialmente hicimos estos experimentos porque queríamos estudiar los efectos anticongelantes del cloruro de sodio, de la sal, porque se predice que probablemente sea el soluto más común en los océanos extraterrestres como lo es en los océanos de la Tierra", dijo el Dr. Journaux. "Esperábamos ver algo similar a lo que vemos en la Tierra, que es que las sales serían rechazadas del hielo a medida que crece".

En cambio, el anticongelante se congeló.

"Teníamos un nuevo cristal que salió de la nada y que no esperábamos en absoluto", dijo el Dr. Journaux. "Así que eso fue muy fortuito".

Los cristales eran diminutos, como máximo de 1/250 de pulgada de ancho, o aproximadamente del ancho de un cabello humano.

Los rayos X rebotando en los cristales mostraron a los científicos que habían creado dos nuevos hidratos. Uno tenía una estructura cristalina de dos moléculas de cloruro de sodio por cada 17 moléculas de agua. Ese se formó a una temperatura de aproximadamente menos 100 grados Fahrenheit y una presión de 5.000 veces la presión atmosférica habitual. A presiones más altas, se formó otro hidrato menos salado, uno con 13 moléculas de agua por cada molécula de cloruro de sodio.

Los científicos también vieron signos de una tercera forma, pero los cristales en forma de aguja eran demasiado delgados para estudiar la estructura cristalina. "Es muy bonito", dijo el Dr. Journaux, "pero es tan delgado que es difícil obtener los datos".

Los nuevos hidratos podrían ayudar a explicar un misterio en Europa. Las observaciones en 2019 con el Telescopio Espacial Hubble identificaron sin ambigüedades el cloruro de sodio en rayas amarillentas en la superficie de la luna. Es muy poco probable que esté en forma de granos de sal pura, pero otras observaciones (colores de la luz infrarroja absorbida por la superficie, que sirven como huellas dactilares identificativas de compuestos específicos) no ofrecieron signos convincentes de hidrohalita, el conocido hidrato de sal.

Los científicos demostraron que el nuevo hidrato que se formó a 5.000 veces la presión atmosférica se mantuvo estable después de que se eliminó la presión y quizás a temperaturas tan cálidas como menos 40 grados Fahrenheit. Eso sugiere que este hidrato podría haberse formado en el subsuelo de Europa y permanecería en esa forma si fuera empujado a la superficie.

"Hace tiempo que sabemos que algún tipo de material se mezcla con el hielo de agua", dijo Michael E. Brown, profesor de astronomía planetaria en el Instituto de Tecnología de California, quien fue uno de los científicos que hizo las observaciones del Hubble para identificar el cloruro de sodio. en Europa. "Y hemos sospechado durante mucho tiempo que en realidad podría ser solo sal derivada del océano interior, pero nunca hemos podido encajar bien. Tal vez sea esta nueva forma de sal".

El cloruro de sodio "es una de las cosas más simples y mejor entendidas del mundo", dijo el Dr. Brown. "Y, sin embargo, Journaux acaba de descubrir una nueva forma que nunca antes se había visto".

La estabilidad del hidrato también sugiere que puede haber una forma de crearlo sin las altas presiones, lo que quizás permita el crecimiento de cristales más grandes. Eso, a su vez, podría conducir a experimentos que medirían la absorción de la luz infrarroja y luego la compararían directamente con las mediciones de Europa.

El Dr. Journaux se comunicó con Christoph Salzmann, profesor de química en el University College London en Inglaterra, quien fue uno de los científicos que este mes informó sobre una nueva forma de hielo de agua similar al vidrio que se crea cuando el hielo normal se agita con bolas de acero.

Comenzando con agua salada, esa misma técnica quizás también podría crear el nuevo hidrato. "Definitivamente le daremos una oportunidad", dijo el Dr. Salzmann. "Si el nuevo hidrato es estable a bajas temperaturas, tal vez la mezcla proporcionada por la molienda de bolas sea todo lo que se necesita para que se forme".

El Dr. Journaux dijo que el hidrato podría incluso existir naturalmente en la Tierra. Algunas partes de la Antártida se enfrían lo suficiente y el hidrato podría solidificarse en lagos salados.

El otro hidrato, con 13 moléculas de agua por cada cloruro de sodio, podría encontrarse en el fondo de los océanos de los mundos helados, dijo el Dr. Journaux.

Varias naves espaciales robóticas se dirigirán al sistema solar exterior en los próximos años para estudiar estos intrigantes mundos de hielo, que según muchos científicos son los lugares más prometedores del sistema solar para buscar vida extraterrestre. La misión Juice de la Agencia Espacial Europea, una reducción de Jupiter Icy Moons Explorer, está programada para lanzarse en abril. La NASA planea lanzar su nave espacial Europa Clipper en octubre de 2024 para estudiar Europa y la Libélula en 2026 para dirigirse hacia Titán, la luna más grande de Saturno.

Los hidratos podrían incluso convertirse en una forma de almacenar energía generada por paneles solares y turbinas eólicas para usar cuando el sol no brilla o los vientos están quietos. "Así que esto también podría tener alguna implicación en la vida real", dijo el Dr. Journaux.

Kenneth Chang ha estado en The Times desde 2000, escribiendo sobre física, geología, química y los planetas. Antes de convertirse en escritor científico, era un estudiante graduado cuya investigación involucraba el control del caos. @kchangnyt

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