El hielo que no debería existir: científicos descubren una nueva forma de agua sólida, el hielo XXI
Bajo una presión dos millones de veces superior a la atmosférica, el agua ha revelado una nueva cara imposible: el hielo XXI, una forma sólida que se forma a temperatura ambiente y desafía todo lo que sabíamos sobre el líquido más común del planeta.
Por Enrique Coperías
Interior de la célula de yunque de diamante dinámica utilizada por el equipo del KRISS para generar el estado supercomprimido del agua. Se aprecian los dos yunques de diamante que ejercen la presión extrema. Cortesía: Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS).
El agua, tan cotidiana como misteriosa, vuelve a desafiar las leyes de la física. Un equipo internacional de investigadores de Corea del Sur, Alemania, Reino Unido, Estados Unidos y Japón ha identificado una nueva forma de hielo, bautizada como hielo XXI, que se forma a temperatura ambiente, pero bajo una presión colosal, dos millones de veces superior a la atmosférica.
El hallazgo, publicado en la revista Nature Materials, abre una ventana inédita al comportamiento del agua en condiciones extremas que podría ayudar a comprender tanto los procesos del interior de planetas helados como la propia física del líquido más singular del universo.
Desde que el científico británico Michael Faraday observó por primera vez las variaciones del hielo en el siglo XIX, se han identificado veinte tipos distintos de estructura sólida del agua. Cada una surge en un estrecho rango de temperatura y presión, y revela una cara diferente de las complejas redes de enlaces de hidrógeno que unen las moléculas de H₂O.
El nuevo hielo XXI añade un capítulo inesperado a esta familia: un cristal con simetría tetragonal, de estructura cúbica centrada, que aparece cuando el agua líquida se somete a una presión de dos gigapascales (2 GPa) —unos 20.000 atmósferas—, equivalente a lo que soporta el fondo del manto terrestre o el interior de las lunas heladas de Júpiter.
Cómo se descubrió el hielo XXI: tecnología extrema y precisión atómica
El descubrimiento fue posible gracias a una combinación de instrumentos de precisión que rozan la ciencia ficción. Los investigadores utilizaron una celda de yunque de diamante dinámica (dDAC), un dispositivo capaz de comprimir una minúscula gota de agua entre dos puntas de diamante a velocidades de hasta 120 gigapascales por segundo.
Al mismo tiempo, iluminaron la muestra con pulsos ultrarrápidos del láser de rayos X libre de electrones (XFEL) del laboratorio europeo XFEL (Alemania), uno de los más potentes del mundo, capaz de registrar procesos que duran apenas unas milmillonésimas de segundo.
Esa sincronización permitió observar, casi cuadro a cuadro, cómo el agua líquida se transforma en distintos tipos de hielo a medida que aumenta y disminuye la presión. Lo sorprendente del experimento fue que el proceso no seguía una sola ruta. En lugar de pasar directamente de líquido a hielo VI —la fase estable a esas condiciones—, los científicos detectaron cinco caminos posibles de congelación y fusión, algunos de ellos a través de estados intermedios jamás observados.
En el corazón de ese laberinto cristalino se encontraba el nuevo hielo XXI, una forma metastable: no es la más estable termodinámicamente, pero puede existir durante un tiempo antes de transformarse en otra.
Un hallazgo en microsegundos: la física del agua comprimida
El equipo capturó estas transiciones con cámaras de alta velocidad capaces de registrar 50.000 fotogramas por segundo y detectores de rayos X de megahercios. En una fracción de milisegundo, el agua supercomprimida cristalizaba primero en un patrón desconocido —el hielo XXI— antes de reorganizarse en hielo VI o en otra fase transitoria, denominada hielo VII metastable.
🗣️ «El proceso ocurre tan rápido que la estructura molecular no tiene tiempo de alcanzar el equilibrio, lo que permite que aparezcan fases efímeras pero perfectamente ordenadas», explica el físico coreano Geun Woo Lee, autor principal del estudio del Korea Research Institute of Standards and Science.
La estructura del hielo XXI, determinada mediante difracción de rayos X, está formada por una celda unitaria gigantesca que contiene 152 moléculas de agua y presenta una densidad de 1,41 gramos por centímetro cúbico, casi un 40% superior a la del hielo común. Esa disposición tetragonal recuerda a un entramado de columnas que se estiran y pliegan bajo presión, un esqueleto molecular tan denso como simétrico.
El equipo de investigación en alta presión del Grupo de Metrología Espacial del KRISS. De izquierda a derecha, Lee Yun-Hee, Kim Minju, Kim Jin Kyun y Lee Geun Woo, investigadores principales y posdoctorales del Instituto Coreano de Metrología y Ciencia. Cortesía: Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS).
El agua que evoluciona consigo misma: de HDW a VHDW
Más allá de la descripción cristalográfica, el descubrimiento plantea un cambio conceptual: incluso a temperatura ambiente, el agua puede desarrollar múltiples fases sólidas y líquidas de alta densidad, conectadas por caminos de transición alternativos. En condiciones normales, los movimientos térmicos de las moléculas impiden que el agua adopte estructuras metastables.
Sin embargo, bajo una compresión extrema, los investigadores comprobaron que las redes de enlaces de hidrógeno se reconfiguran y dan lugar a un tipo de agua supercomprimida que evoluciona de alta densidad (HDW) a muy alta densidad (VHDW). Esa evolución es la que, según las simulaciones de dinámica molecular, favorece la aparición del hielo XXI frente a otras fases.
El fenómeno encaja con la llamada regla de Ostwald, formulada en el siglo XIX por Wilhelm Ostwald, que predice que una sustancia suele cristalizar primero en una forma metastable antes de alcanzar su estado más estable. «El agua sigue esta regla con una fidelidad sorprendente —apunta Lee—. Nuestro experimento muestra que incluso en un rango de presiones donde se esperaba un único tipo de hielo, existen rutas ocultas que el agua puede tomar para solidificarse».
Las cinco rutas del hielo, un laberinto de fases cristalinas
El estudio identificó cinco tipos de curvas presión-tiempo durante los ciclos de compresión y descompresión. En el primero, el agua se transforma directamente en hielo VI y se funde al aliviar la presión. En los otros cuatro, aparecen distintas combinaciones de fases metastables: el hielo VII, el nuevo hielo XXI o mezclas de ambos, que luego regresan al estado líquido o a la forma estable.
En algunos casos, los investigadores observaron saltos bruscos de presión asociados a cristalizaciones múltiples, como si el agua vacilara entre distintas configuraciones antes de decidir en cuál quedarse.
Cada una de estas rutas, afirman los autores, representa un modo diferente de reorganizar la red de enlaces de hidrógeno, la verdadera arquitectura del agua. En la práctica, esto significa que el mismo líquido puede dar lugar a cristales distintos según la velocidad o el modo en que se comprime, un fenómeno con paralelos en la metalurgia y en la formación de minerales en el interior de los planetas.
Repercusiones científicas y astrobiológicas del hielo XXI
Las implicaciones del descubrimiento van más allá de la curiosidad académica. En los océanos subglaciales de lunas como Europa y Ganímedes, donde las presiones superan varios gigapascales, podrían coexistir fases de hielo similares al hielo XXI. Comprender sus propiedades, como la conductividad, la densidad y la capacidad de retener moléculas orgánica, resulta clave para los modelos de habitabilidad planetaria y para interpretar los datos que enviarán futuras misiones de exploración espacial.
🗣️ «La densidad del hielo XXI es comparable a la de las capas de hielo sometidas a alta presión en el interior de las lunas heladas de Júpiter y Saturno. Este descubrimiento podría ofrecer nuevas pistas para explorar los orígenes de la vida en condiciones extremas en el espacio», señals la investigadora principal Lee Yun-Hee, del Instituto Coreano de Metrología y Ciencia (KRISS).
En la Tierra, estos resultados ayudarán a refinar los modelos atómicos del agua, un reto pendiente pese a siglos de estudio. “«El agua es el material más estudiado y menos comprendido —reconocen los autores—. Descubrimientos como este nos obligan a reescribir su mapa de fases, a admitir que su comportamiento bajo presión es aún más complejo de lo imaginado».
El hielo XXI también servirá como banco de pruebas para el diseño de materiales y procesos industriales en los que las transiciones rápidas de fase juegan un papel crucial, desde la criopreservación hasta la síntesis de nuevos sólidos en condiciones extremas.
«Al combinar nuestra tecnología dDAC desarrollada internamente con el láser XFEL, logramos captar momentos fugaces que hasta ahora eran inaccesibles con los instrumentos convencionales. La investigación continua en entornos de ultraalta presión y otras condiciones extremas abrirá nuevas fronteras para la ciencia», comenta Geun Woo Lee, investigador principal y autor correspondiente del estudio.
Imagen de un cristal único (izquierda) y el patrón de difracción (derecha) del hielo XXI dentro de la celda de yunque de diamante (DAC) utilizada en el experimento. Costesía: Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS).
El poder de lo efímero: cuando el agua desafía la estabilidad
Lo paradójico del hielo XXI es que, aunque es una fase perfectamente ordenada, solo existe durante fracciones de segundo antes de transformarse en otra. Pero en ese breve lapso revela cómo la materia puede explorar rutas alternativas entre el orden y el caos.
🗣️ «El agua es un camaleón molecular —dice Lee—. Cada una de sus fases nos enseña una manera distinta en que las moléculas pueden organizarse para sobrevivir al entorno».
En resumen, el equipo ha demostrado que, incluso a temperatura ambiente, el agua guarda secretos bajo presión: rutas múltiples de congelación y fusión, guiadas por fases ocultas como el hielo XXI y el hielo VII metastable. El hallazgo no solo amplía la familia de hielos conocidos, sino que pone de relieve la enorme plasticidad del agua, un líquido que, cuando se aprieta lo suficiente, sigue encontrando formas nuevas de ser sólido. ▪️
Información facilitada por el National Research Council of Science & Technology
Fuente: Lee, YH., Kim, J. K., Kim, YJ. et al. Multiple freezing–melting pathways of high-density ice through ice XXI phase at room temperature. Nature Materials (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02364-x
