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Una capa de hielo "caliente" y conductor de la electricidad podría ser la responsable de generar los campos magnéticos de planetas gigantes de hielo como Urano y Neptuno. Un nuevo trabajo de Carnegie y del Centro de Fuentes de Radiación Avanzadas de la Universidad de Chicago revela las condiciones en las que se forman dos de estos hielos superiónicos. Sus hallazgos se publican en Nature Physics.
Como todos los escolares aprenden, las moléculas de agua están formadas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno: el H20. A medida que cambian las condiciones en las que existe el agua, la organización y las propiedades de estas moléculas se ven afectadas. Esto lo podemos ver en nuestra vida cotidiana cuando el agua líquida se convierte en vapor o se congela en hielo.
Las moléculas que componen el hielo ordinario que podemos encontrar en nuestro vaso o en la calzada en invierno están organizadas en una red cristalina que se mantiene unida por enlaces de hidrógeno entre los átomos de hidrógeno y oxígeno. Los enlaces de hidrógeno son muy versátiles. Esto significa que el hielo puede existir en una sorprendente diversidad de estructuras diferentes -al menos 18 formas conocidas- que surgen en condiciones ambientales cada vez más extremas.
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| Figura que ilustra cómo se realizaron los experimentos, revelando dos formas de hielo superiónico. Crédito: Cortesía de Vitali Prakapenka |
Especialmente interesante es el llamado hielo superiónico, formado a presiones y temperaturas muy elevadas, en el que los enlaces tradicionales de las moléculas de agua se desplazan, permitiendo que las moléculas de hidrógeno floten libremente en una red de oxígeno. Esta movilidad hace que el hielo sea capaz de conducir la electricidad casi tan bien como un material metálico.
Las observaciones del hielo superiónico caliente creado en el laboratorio han dado resultados contradictorios y ha habido un gran desacuerdo sobre las condiciones exactas en las que surgen las nuevas propiedades.
"Por eso, nuestro equipo de investigación, dirigido por Vitali Prakapenka, de la Universidad de Chicago, se propuso utilizar múltiples herramientas espectroscópicas para trazar un mapa de los cambios en la estructura y las propiedades del hielo en condiciones de hasta 1,5 millones de veces la presión atmosférica normal y unos 11.200 grados Fahrenheit", explicó Alexander Goncharov, de Carnegie.
De este modo, los científicos pudieron determinar la aparición de dos formas de hielo superiónico, una de las cuales, según sugieren, podría encontrarse en el interior de los planetas gigantes de hielo Urano y Neptuno.
"Para estudiar la estructura de este estado único de la materia en condiciones muy extremas -calentada por un láser y comprimida entre dos diamantes- utilizamos el brillante haz de rayos X de alta energía del sincrotrón de la Fuente Avanzada de Fotones, que se enfocó hasta unos 3 micrómetros, 30 veces más pequeño que un cabello humano", dijo Prakapenka, explicando el trabajo realizado con la línea de luz GSECARS de la instalación. "Estos experimentos son tan desafiantes que tuvimos que realizar unos cuantos miles de ellos a lo largo de una década para obtener suficientes datos de alta calidad para resolver el viejo misterio del comportamiento del hielo a alta presión y alta temperatura en condiciones relevantes para los interiores de los planetas gigantes".
"Las simulaciones han indicado que los campos magnéticos de estos dos planetas se generan en capas delgadas y fluidas que se encuentran a profundidades relativamente bajas", añadió Goncharov.
"La conductividad del hielo superiónico sería capaz de lograr este tipo de generación de campos y una de las dos estructuras que revelamos podría existir en las condiciones encontradas en estas zonas generadoras de campos magnéticos".
Fuentes, créditos y referencias:
“Structure and properties of two superionic ice phases” by Vitali B.
Prakapenka, Nicholas Holtgrewe, Sergey S. Lobanov and Alexander F.
Goncharov, 14 October 2021, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-021-01351-8
Imagen: Imagen de Neptuno tomada por la misión Voyager 2 de la NASA. Crédito: NASA/JPL-Caltech