Recientemente, en el Laboratorio de Energía Láser en Brighton, Nueva York, uno de los láseres más poderosos del mundo golpeó una gota de agua, creando una onda de choque que elevó la presión en esa agua a millones de atmósferas y la temperatura a miles de grados. Los rayos X que atravesaron esta gota en la misma fracción de segundo mostraron a la humanidad el primer destello de agua en condiciones tan extremas. Mostraron que el agua dentro de la onda de choque no se convirtió en un líquido o gas sobrecalentado. No, el agua está congelada.
Paradójicamente, los átomos de agua se congelaron para formar hielo cristalino. Sin embargo, como esperaban los físicos, entrecerrando los ojos ante las pantallas de la habitación contigua.
“Escuchas un disparo y en el mismo momento ves que ha sucedido algo interesante”, dice Marius Millo del Laboratorio Nacional de Livermore. Lawrence, quien realizó el experimento con Federica Coppari.
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¿Qué le sucede al agua a alta presión y temperatura?
Los resultados de este trabajo, publicado esta semana en Nature, confirman la existencia del "hielo superiónico", una nueva fase del agua con extrañas propiedades. A diferencia del hielo familiar que se encuentra en el congelador o en el Polo Norte, el hielo superiónico es negro y caliente. Un cubo de este hielo pesaba cuatro veces el peso habitual. Su existencia se predijo por primera vez hace más de 30 años y, aunque nunca antes se había visto, los científicos creen que puede ser uno de los tipos de agua más abundantes del universo.
Incluso en el sistema solar, la mayor parte del agua probablemente se encuentre en forma de hielo superiónico, en las entrañas de Urano y Neptuno. Hay más que agua líquida en los océanos de la Tierra, Europa y Encelado. El descubrimiento del hielo superiónico podría resolver viejos misterios sobre la composición de estos "gigantes de hielo".
Los científicos ya han descubierto dieciocho asombrosas arquitecturas de cristales de hielo, incluida la disposición hexagonal de las moléculas de agua en el hielo normal (Ih). Después de ice-I, que viene en dos formas, Ih e Ic, el resto de las formas están numeradas del II al XVII en el orden de apertura. Sí, "ice-9" existe en realidad, pero sus propiedades no son en absoluto las mismas que en la novela "Cat's Cradle" de Kurt Vonnegut.
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El hielo superiónico puede reclamar el manto de Ice-XVIII. Este es un cristal nuevo, pero hay una cosa en él. Todos los hielos de agua conocidos anteriormente están compuestos de moléculas de agua intactas, en las que un átomo de oxígeno está unido a dos átomos de hidrógeno. Pero el hielo superiónico, como muestran las nuevas mediciones, no es así. Existe en una especie de extremidad surrealista, mitad sólida, mitad líquida. Las moléculas de agua individuales se desintegran. Los átomos de oxígeno forman una red cúbica, pero los átomos de hidrógeno se derraman libremente, fluyendo como líquido a través de una celda rígida de oxígeno.
Los expertos dicen que el descubrimiento del hielo superiónico justifica las predicciones informáticas que podrían ayudar a los físicos de materiales a crear sustancias futuras con propiedades individuales. Y el descubrimiento de este hielo requirió mediciones ultrarrápidas y un control preciso de la temperatura y la presión, lo que solo fue posible con la mejora de los métodos experimentales.
La física Livia Bove del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia cree que debido a que las moléculas de agua se descomponen, esta no es exactamente una nueva fase del agua. "Es un nuevo estado de la materia, que es bastante impresionante".
Rompecabezas de hielo
Los físicos han estado buscando hielo superiónico durante muchos años, desde que una primitiva simulación por computadora realizada por Pierfranco Demontes en 1988 predijo que el agua tomaría esta extraña forma casi metálica si fuera empujada fuera del mapa de las fases de hielo conocidas.
El modelado ha demostrado que bajo una fuerte presión y calor, las moléculas de agua se destruyen. Los átomos de oxígeno están atrapados en una red cúbica y "el hidrógeno comienza a saltar de una posición en el cristal a otra, una y otra vez", dice Millo. Estos saltos entre los sitios de la red son tan rápidos que los átomos de hidrógeno, que se ionizan, esencialmente convirtiéndose en protones cargados positivamente, se comportan como un líquido.
Se ha sugerido que el hielo superiónico conducirá la electricidad como un metal y el hidrógeno actuará como electrones. La presencia de estos átomos de hidrógeno libres también aumentará el desorden del hielo, su entropía. A su vez, el aumento de la entropía hará que el hielo sea más estable que otros tipos de cristales de hielo, como resultado de lo cual aumentará su punto de fusión.
Es fácil imaginar todo esto, es difícil creer en ello. Los primeros modelos utilizaron la física simplificada, vadeando la naturaleza cuántica de las moléculas reales. Simulaciones posteriores agregaron más efectos cuánticos, pero aún eludieron las ecuaciones reales necesarias para describir la interacción de múltiples cuerpos cuánticos, que es demasiado difícil de calcular. En cambio, se basaron en aproximaciones, lo que aumentó la probabilidad de que todo este escenario resultara ser un espejismo en la simulación. Mientras tanto, los experimentos no pudieron crear la presión necesaria y generar suficiente calor para derretir esta fuerte sustancia.
Y cuando todo el mundo ya había abandonado esta aventura, los científicos planetarios expresaron sus propias sospechas de que el agua podría tener una fase superiónica de hielo. Casi al mismo tiempo que se predijo esta fase por primera vez, la sonda Voyager 2 entró en el sistema solar exterior y descubrió algo extraño en los campos magnéticos de los gigantes de hielo Urano y Neptuno.
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Los campos alrededor de otros planetas del sistema solar parecen estar compuestos por polos norte y sur bien definidos, sin ninguna otra estructura en particular. Parece que contienen barras magnéticas alineadas con los ejes de rotación. Los planetólogos asocian esto con "dínamos": regiones internas donde los fluidos conductores se elevan y giran a medida que el planeta gira, creando enormes campos magnéticos.
En contraste, los campos magnéticos que emanan de Urano y Neptuno parecían más engorrosos y complejos, con más de dos polos. Tampoco se alinearon cerca de la rotación de sus planetas. Una forma de hacer esto es confinar de alguna manera el fluido conductor, responsable de la dínamo, a solo una capa exterior delgada del planeta, en lugar de permitir que penetre en el núcleo.
Pero la idea de que estos planetas pudieran tener núcleos sólidos que no pudieran generar dínamos no parecía realista. Si perforara a través de estos gigantes de hielo, esperaría encontrar primero una capa de agua iónica que fluirá, conducirá corrientes y participará en una dínamo. Parece que el material aún más profundo, incluso a temperaturas más altas, también será líquido, pero esto es ingenuo. Los científicos planetarios tienen una broma de que las entrañas de Urano y Neptuno no pueden ser sólidas en absoluto. Pero resultó que pueden.
Hielo explosivo
Coppari, Millo y su equipo juntaron las piezas del rompecabezas.
En un experimento anterior publicado en febrero de 2018, los físicos obtuvieron evidencia circunstancial de la existencia de hielo superiónico. Exprimieron una gota de agua a temperatura ambiente entre los extremos puntiagudos de dos diamantes cortados. Cuando la presión aumentó a aproximadamente un gigapascal, que es aproximadamente 10 veces más que en el fondo de la Fosa de las Marianas, el agua se convirtió en un cristal tetragonal, hielo-VI. Con 2 gigapascales, se transformó en Ice-VII, una forma cúbica más densa que es transparente a simple vista, que los científicos descubrieron recientemente que también existen en pequeños bolsillos dentro de diamantes naturales.
Luego, utilizando un láser OMEGA en el Laboratorio de Energía Láser, Millo y sus colegas apuntaron a Ice-VII, todavía encajado entre yunques de diamantes. Cuando el láser golpeó la superficie del diamante, vaporizó el material hacia arriba, esencialmente arrojando el diamante en la dirección opuesta y enviando una onda de choque a través del hielo. El equipo de Millo descubrió que el hielo supercomprimido se derritió a unos 4.700 grados Celsius, como se esperaba para el hielo superiónico, y que conducía la electricidad a través del movimiento de protones cargados.
Después de que se confirmaron las predicciones sobre las propiedades en masa del hielo superiónico, un nuevo estudio de Coppari y Millo debería haber confirmado su estructura. Si desea confirmar la naturaleza cristalina, necesita difracción de rayos X.
Su nuevo experimento pasó por alto ice-VI y ice-VII por completo. En cambio, el equipo simplemente rompió el agua entre los yunques de diamante con disparos láser. Mil millonésimas de segundo después, cuando las ondas de choque penetraron y el agua comenzó a cristalizar en cubitos de hielo nanométricos, los científicos agregaron 16 rayos láser más para vaporizar una delgada pieza de hierro junto a la muestra. El plasma resultante inundó el agua cristalizada con rayos X, que luego se difractaron de los cristales de hielo y permitieron al equipo distinguir su estructura.
Los átomos en el agua se han reorganizado en la arquitectura predicha desde hace mucho tiempo pero nunca antes vista, Ice-XVIII: una red cúbica con átomos de oxígeno en cada esquina y en el centro de cada cara.
Y este tipo de validación cruzada exitosa tanto de las simulaciones como del hielo superiónico real sugiere que el "sueño" definitivo de los investigadores de física de materiales pronto podría lograrse. “Dime qué propiedades materiales necesitas, vamos a una computadora y teóricamente averiguamos qué material y qué estructura cristalina necesitas”, dice Raymond Janlose, científico de la Universidad de California, Berkeley.
El nuevo análisis también sugiere que, si bien el hielo superiónico conduce algo de electricidad, está suelto pero es sólido. Se extenderá gradualmente, pero no fluirá. Por lo tanto, las capas líquidas dentro de Urano y Neptuno pueden detenerse a unos 8000 kilómetros tierra adentro, donde comenzará un enorme manto de hielo superiónico inestable. Esto limita la mayor parte de la acción de la dínamo a profundidades menores, dados los campos inusuales de los planetas.
Es probable que otros planetas y lunas del sistema solar no tengan las temperaturas y presiones internas que permitirían la existencia del hielo superiónico. Pero la multitud de exoplanetas del tamaño de los gigantes de hielo sugiere que esta sustancia, el hielo superiónico, se distribuirá en mundos de hielo por toda la galaxia.
Por supuesto, ningún planeta contendrá agua por sí sola. Los gigantes de hielo de nuestro sistema solar también se mezclan con metano y amoníaco. La medida en que el comportamiento superiónico encuentre lugar en la naturaleza "dependerá de si existen estas fases cuando mezclamos agua con otros materiales", dicen los científicos. Sin embargo, también debe existir amoníaco superiónico.
Los experimentos continúan. ¿Crees que algún día descubriremos qué hay en el centro de los cuerpos más grandes de nuestro sistema solar?
Ilya Khel
