Los científicos continúan descubriendo nuevas formas de hielo, según las simulaciones, podrían quedar muchas más por revelar.
Aunque el hielo es familiar en un congelador o en un glaciar, en realidad existen más de 20 fases del hielo desde 1900. Muchas de estas fases se configuran bajo condiciones extremas y se observan a menudo en entornos extraterrestres, como las colas frías de los cometas o en el interior de planetas helados.
Se define hielo como cualquier fase sólida y cristalina del agua, caracterizada por una estructura molecular repetitiva. Durante la última década, las simulaciones informáticas han previsto decenas de miles de posibles formas de hielo. Aunque son poco frecuentes en nuestro planeta, estos hielos exóticos podrían existir en diversos entornos.
Marius Millot, científico investigador del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en California, explica que se toma agua y, con diferentes combinaciones de presión y tiempo, aparecen comportamientos inesperados. “Parece un momento realmente extraordinario”, afirma Chris Pickard, físico de la Universidad de Cambridge. “Están encontrando muchas más de estas estructuras”.
La versatilidad del agua se debe a su estructura molecular, que puede organizarse en múltiples configuraciones posibles. Cada molécula de agua consta de un átomo de oxígeno central y dos átomos de hidrógeno unidos por fuerzas electromagnéticas.
En la forma más común del hielo, las estructuras se organizan en una jaula hexagonal. Esto hace que el hielo ordinario sea menos denso que el agua líquida y permita su formación desde la superficie hacia abajo, protegiendo vida submarina durante el invierno.
Cuando el agua es sometida a presión, puede adoptar una amplia gama de formas cristalinas. Debido a su capacidad para asumir tantas configuraciones distintas, la física y química del agua pueden variar significativamente en diferentes entornos.
En 2018, un grupo internacional desarrolló una ambiciosa simulación informática de las moléculas de agua con el objetivo de prever formas de hielo aún no descubiertas. El resultado fue un catálogo de más de 75 000 fases.
No obstante, los científicos no esperan encontrar tantas fases en la naturaleza; afirmaciones basadas únicamente en simulaciones siempre tienen cierta incertidumbre. “Siempre existe incertidumbre asociada a las afirmaciones sobre la existencia de nuevas fases cuando se basan únicamente en simulaciones”, señala Federica Coppari, física del LLNL.
Los científicos buscan reducir predicciones únicamente a estructuras viables. “Al final el número se reduce”, dice Pickard. “Pero la realidad es que no sabemos exactamente cómo establecer ese filtro”. Para determinar las formas reales de hielo, los investigadores recurren al laboratorio.
En 2018, Yong-Jae Kim era investigador posdoctoral en el Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS), donde estudiaba cómo el agua a temperatura ambiente se transforma en hielo bajo presiones extremas. El experimento consistía en comprimir una gota de agua entre dos diamantes y estudiar las modificaciones de su estructura molecular mediante técnicas de alta velocidad.
Al revisar los datos, Kim observó algo que inicialmente parecía un error: durante unas decenas de milisegundos, el hielo parecía perder su estructura y descomponerse en una mezcla caótica de moléculas antes de pasar a la siguiente fase. Kim se preocupó por posible contaminación del agua.
En 2025, investigadores del KRISS realizaron una versión mejorada del mismo experimento utilizando el sistema de diamantes de Kim y consiguieron reproducir aquella estructura compleja. Los científicos trasladaron su dispositivo a la European X-Ray Free-Electron Laser Facility en Alemania para obtener imágenes de alta resolución.
Los científicos hicieron incidir potentes haces láser de rayos X sobre el hielo y midieron cómo se dispersaban los rayos. La mayoría de las fases del hielo desvían los rayos en una o dos direcciones, pero esta muestra lo hizo en aproximadamente 15 trayectorias diferentes.
Los investigadores descubrieron que el patrón cristalino contenía nada menos que 152 moléculas. La observación permitió asignar oficialmente a esta fase el nombre de hielo XXI, la más compleja descubierta hasta la fecha.
No sabiendo del descubrimiento, un grupo de la Universidad de Okayama había predicho esa estructura en otra simulación distinta y más específica también realizada en 2018. Esa simulación predijo además otras dos fases aún no descubiertas.
El hielo XXI es una fase metaestable, que pasa por etapas intermedias durante el proceso de transición de fase. La existencia de estas fases respalda la teoría de las transiciones de fase conocida como regla de las etapas de Ostwald.
El equipo de Hiroki Kobayashi, de la Universidad de Tokio, continuó el trabajo sobre el hielo XXI y descubrió una fase próxima denominada hielo XXII. A temperaturas más bajas, el grupo también desarrolló un método fiable para producir hielo IV, una fase metaestable que ha recibido el sobrenombre de *will-o’-the-wisp* (fuegos fatuos).
El trabajo de Bove en Lausana descubrió una fase metaestable de hielo más pequeña pero aún más extraña. En un estudio publicado en Nature, informaron la primera observación del hielo plástico VII. Este se trata de una variante del hielo VII, que aparece cuando el hielo se calienta hasta aproximadamente 500 °C.
En el hielo plástico, las moléculas de agua conservan su estructura cristalina sólida pero giran rápidamente sobre sí mismas. La técnica con neutrones fue crucial para observar este movimiento, ya que los hidrógenos son prácticamente invisibles a los rayos X.
Las moléculas rotatorias del hielo plástico VII proporcionan al hielo cierta elasticidad, similar a la de un trampolín suave. Se cree que el hielo plástico VII existe en el interior de núcleos de lunas heladas y constituye un estado intermedio por el que pasa el hielo antes de convertirse en hielo superiónico (hice referencia al descubrimiento del hielo XVIII en 2019).
Las investigaciones continúan con la aspiración de alcanzar presiones aún mayores. “La presión final que pretendemos alcanzar es realmente enorme”, explica Coppari, “más del doble de la presión existente en el centro de la Tierra”.
Vivimos en un planeta lleno de agua pero seguimos descubriendo nuevas formas de hielo. “Cuanto más observamos y mejores son los experimentos, más sorpresas encontramos”, concluye Millot.