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Utilizando la Fuente Avanzada de Fotones, los científicos han recreado la estructura del hielo formado en el centro de planetas como Neptuno y Urano.
Todo el mundo conoce el hielo, el líquido y el vapor, pero, dependiendo de las condiciones, el agua puede formar más de una docena de estructuras diferentes. Los científicos han añadido ahora una nueva fase a la lista: el hielo superiónico.
Este tipo de hielo se forma a temperaturas y presiones extremadamente altas, como las del interior de planetas como Neptuno y Urano. Anteriormente, el hielo superiónico solo se había vislumbrado en un breve instante cuando los científicos enviaron una onda de choque a través de una gota de agua, pero en un nuevo estudio publicado en Nature Physics, los científicos encontraron una manera de crear, mantener y examinar el hielo de forma fiable.
"Fue una sorpresa: todo el mundo pensaba que esta fase no aparecería hasta que se estuviera a presiones mucho más altas que las que encontramos por primera vez", dijo el coautor del estudio, Vitali Prakapenka, profesor de investigación de la Universidad de Chicago y científico de la línea de luz de la Fuente de Fotones Avanzada (APS).
"Hemos podido cartografiar con gran precisión las propiedades de este nuevo hielo, que constituye una nueva fase de la materia, gracias a varias herramientas potentes". - Vitali Prakapenka, Universidad de Chicago.
Como no podemos llegar a estos lugares físicamente, los científicos deben recurrir al laboratorio para recrear las condiciones de calor y presión extremas.
Prakapenka y sus colegas utilizan el APS, un acelerador masivo que lleva a los electrones a velocidades extremadamente altas, cercanas a la de la luz, para generar brillantes haces de rayos X. Aprietan sus muestras entre dos piezas de diamante -la sustancia más dura de la Tierra- para simular las intensas presiones, y luego disparan láseres a través de los diamantes para calentar la muestra. Por último, envían un haz de rayos X a través de la muestra y reconstruyen la disposición de los átomos en su interior basándose en la dispersión de los rayos X en la muestra.
Cuando realizaron los primeros experimentos, Prakapenka observó que las lecturas de la estructura eran muy diferentes a las que esperaba. Pensó que algo había salido mal y que se había producido una reacción química no deseada, algo que suele ocurrir con el agua en este tipo de experimentos. "Pero cuando apagué el láser y la muestra volvió a la temperatura ambiente, el hielo volvió a su estado original", dijo. "Eso significa que fue un cambio estructural reversible, no una reacción química".
Al observar la estructura del hielo, el equipo se dio cuenta de que tenía una nueva fase entre manos. Pudieron trazar un mapa preciso de su estructura y propiedades.
"Imagínese un cubo, un entramado con átomos de oxígeno en las esquinas conectados por hidrógeno", dijo Prakapenka.
"Cuando se transforma en esta nueva fase superiónica, el entramado se expande, permitiendo que los átomos de hidrógeno migren alrededor mientras los átomos de oxígeno permanecen firmes en sus posiciones. Es algo así como una red sólida de oxígeno asentada en un océano de átomos de hidrógeno flotantes".
Esto tiene consecuencias en el comportamiento del hielo: Se vuelve menos denso, pero significativamente más oscuro porque interactúa de manera diferente con la luz. Pero aún no se ha explorado toda la gama de propiedades químicas y físicas del hielo superiónico. "Es un nuevo estado de la materia, por lo que básicamente actúa como un nuevo material, y puede ser diferente de lo que pensábamos", dijo Prakapenka.
Los hallazgos también fueron una sorpresa, porque aunque los científicos teóricos habían predicho esta fase, la mayoría de los modelos pensaban que no aparecería hasta que el agua se comprimiera a más de 50 gigapascales de presión (más o menos lo mismo que las condiciones dentro del combustible de los cohetes cuando se detonan para el despegue). Pero estos experimentos solo se realizaron a 20 gigapascales. "A veces nos encontramos con sorpresas como esta", dijo Prakapenka.
Prakapenka dijo que hay muchos más ángulos que explorar, como la conductividad y la viscosidad, la estabilidad química, lo que cambia cuando el agua se mezcla con sales u otros minerales, como suele ocurrir en las profundidades de la superficie terrestre. "Esto debería estimular muchos más estudios", dijo.
Fuentes, créditos y referencias:
Simone Anzellini, Hot black ices, Nature Physics (2021). DOI: 10.1038/s41567-021-01358-1
Vitali B. Prakapenka et al, Structure and properties of two superionic ice phases, Nature Physics (2021). DOI: 10.1038/s41567-021-01351-8
Imagen: Los científicos utilizaron diamantes y un haz de rayos X brillantes para recrear las condiciones del interior de los planetas, y encontraron una nueva fase de agua llamada "hielo superiónico". Crédito: Imagen de Vitali Prakapenka