Una nueva fase de la materia se suma a las estructuras que puede adoptar el agua: hielo superiónico resultado de las condiciones del interior de mundos como Neptuno y Urano recreadas en laboartorio.
Este tipo de hielo se forma a temperaturas y presiones extremadamente altas, como las que se encuentran en el interior de eos planetas. 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 manera confiable.
«Fue una sorpresa: todos pensaron que esta fase no aparecería hasta que se esté sometido a presiones mucho más altas que donde la encontramos por primera vez», dijo en un comunicado el coautor del estudio, Vitali Prakapenka, profesor de investigación de la Universidad de Chicago y científico de líneas de luz en la APS (Advanced Photon Source), donde su realizó el experimento.
«Pudimos mapear con mucha precisión las propiedades de este nuevo hielo, que constituye una nueva fase de la materia, gracias a varias herramientas poderosas», añadió.
Dado que no podemos llegar al interior de los planetas físicamente, los científicos deben recurrir al laboratorio para recrear condiciones de calor y presión extremos.
Prakapenka y sus colegas utilizan el APS, un acelerador masivo que impulsa a los electrones a velocidades extremadamente altas cercanas a la velocidad de la luz para generar haces brillantes de rayos X. Exprimen 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. Finalmente, envían un haz de rayos X a través de la muestra y unen la disposición de los átomos en el interior basándose en cómo los rayos X se dispersan fuera de la muestra.
Cuando realizaron los experimentos por primera vez, Prakapenka vio lecturas de la estructura que eran muy diferentes de lo que esperaba. Pensó que algo había salido mal y que se había producido una reacción química no deseada, que a menudo ocurre con el agua en tales 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 en sus manos. Pudieron mapear con precisión su estructura y propiedades.
«Imagínese un cubo, una red con átomos de oxígeno en las esquinas conectados por hidrógeno. Cuando se transforma en esta nueva fase superiónica, la red se expande, permitiendo que los átomos de hidrógeno migren mientras los átomos de oxígeno permanecen estables en sus posiciones. Es como una red sólida de oxígeno sentada en un océano de átomos de hidrógeno flotantes», explica el investigador.
Esto tiene consecuencias sobre cómo se comporta el hielo: se vuelve menos denso, pero significativamente más oscuro porque interactúa de manera diferente con la luz. Pero aún no se ha explorado la gama completa 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 pensamos», dijo Prakapenka.
Los hallazgos también fueron una sorpresa, porque si bien los científicos teóricos habían predicho esta fase, la mayoría de los modelos pensaron que no aparecería hasta que el agua se comprimiera a más de 50 gigapascales de presión (aproximadamente las mismas condiciones dentro del combustible del cohete cuando detona para el despegue). Pero estos experimentos fueron solo de 20 gigapascales. «A veces te dan sorpresas como esta», dijo Prakapenka.
Pero mapear las condiciones exactas donde ocurren las diferentes fases del hielo es importante, entre otras cosas, para comprender la formación de los planetas e incluso dónde buscar vida en otros planetas. Los científicos creen que existen condiciones similares en el interior de Neptuno y Urano, y otros planetas fríos y rocosos como ellos en otras partes del universo.
Las propiedades de estos hielos juegan un papel en los campos magnéticos de un planeta, que tienen un gran impacto en su capacidad para albergar vida: los poderosos campos magnéticos de la Tierra nos protegen de la radiación entrante y los rayos cósmicos dañinos, mientras que las superficies de los planetas áridos Marte y Mercurio están expuestas. Conocer las condiciones que afectan la formación del campo magnético puede guiar a los científicos en su búsqueda de estrellas y planetas en otros sistemas solares que podrían albergar vida.
Prakapenka dijo que hay muchos más ángulos para explorar, como la conductividad y la viscosidad, la estabilidad química, qué cambia cuando el agua se mezcla con sales u otros minerales, como suele ocurrir en las profundidades de la superficie de la Tierra. «Esto debería estimular muchos más estudios», dijo.
