El agua es una de las sustancias más comunes y esenciales en el mundo humano. Literalmente no podemos funcionar sin sus propiedades como disolvente casi universal. Cae del cielo. Nos bañamos en ella, la bebemos y nos sumergimos en ella por placer.
Pero si se considera únicamente como un líquido, el agua es extremadamente peculiar, comportándose de maneras totalmente opuestas a las de otros líquidos. Se vuelve menos densa al congelarse. Su tensión superficial es inusualmente alta. Lo mismo ocurre con su punto de ebullición. Y, según su peso molecular, debería ser un gas a temperatura ambiente.
Y todo esto en condiciones ambientales normales de la Tierra. Si se modifican ligeramente la presión y la temperatura, el comportamiento errático del agua se descontrola aún más.
Los científicos han demostrado ahora una de las formas de hielo más extrañas hasta la fecha: bajo presiones desmesuradas de hasta 2,3 millones de atmósferas y temperaturas tremendas de hasta 2.630 kelvin (2.357°C). A esas temperaturas, lo normal sería esperar que el agua estuviera en estado gaseoso, incluso parcialmente descompuesta en sus átomos constituyentes de oxígeno e hidrógeno. Pero algo interesante ocurre a las presiones astronómicas que se encuentran en las profundidades de los planetas.
Cuando el agua pasa de estado líquido a gaseoso o vapor, se expande. Bajo presiones aplastantes de millones de atmósferas, esta expansión se ve obstaculizada. En cambio, el agua puede permanecer extraordinariamente densa, adoptando formas exóticas distintas a cualquier hielo que encontremos en la superficie terrestre.
Uno de estos casos es el hielo superiónico, un estado de la materia sumamente peculiar que no es ni completamente sólido ni completamente líquido. Sus átomos de oxígeno permanecen fijos en una red cristalina rígida, como ocurriría en un sólido. Sin embargo, los núcleos de hidrógeno son móviles y se difunden a través de esa red de forma similar a las partículas en un líquido.
En condiciones ligeramente diferentes, la disposición de los átomos de oxígeno cambia a distintas configuraciones conocidas como fases. Se conocen unas veinte fases del hielo de agua, algunas de las cuales se vuelven superiónicas en condiciones extremas. Los científicos siempre buscan descubrir más.
Y no se trata solo de rareza por la rareza misma. Se cree que existe hielo superiónico en las profundidades de Urano y Neptuno, donde sus propiedades inusuales podrían influir en la generación de los campos magnéticos igualmente inusuales de estos planetas.
En sus nuevos experimentos, un equipo dirigido por el físico Alexis Forestier, de la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica, sometió diminutas muestras de agua a las condiciones extremas que se esperan en el interior de los planetas gigantes de hielo. Comprimieron las muestras entre las puntas de diamantes hasta alcanzar presiones de 230 gigapascales, mientras las calentaban con láseres a miles de grados. Esto equivale a 2,3 millones de veces la presión atmosférica terrestre a nivel del mar; para ponerlo en perspectiva, la presión en el centro de la Tierra ronda los 360 gigapascales. Luego, utilizando un haz extremadamente estrecho de rayos X de sincrotrón, analizaron los cambios en la estructura cristalina del hielo.
Lo que surgió fue una configuración predicha teóricamente pero nunca observada de forma inequívoca en experimentos: hielo hexagonal compacto, o hcp. Al calentar el cristal hcp, su expansión también mostró indicios de comportamiento superiónico, lo que sugiere que entró en el estado superiónico alrededor de los 1700 kelvin.
El nombre hace referencia a la disposición de los átomos de oxígeno. Imagina que colocas bolas idénticas en capas; existen varias maneras de apilar esas capas manteniendo las bolas lo más compactas posible.
Una forma de hielo superiónico previamente identificada presenta una estructura cúbica centrada en las caras (fcc). En el hielo hcp recientemente identificado, las capas se apilan en una secuencia diferente. Los investigadores hallaron evidencia de que una puede transformarse en la otra a medida que las capas cambian de posición.
Esta transformación parece producirse a medida que las condiciones se vuelven más extremas. A 155 gigapascales y 2000 kelvin, la señal observada por la sonda de rayos X era una mezcla de fcc y hcp.
Al aumentar la frecuencia a 197 gigapascales y 2250 kelvin, la firma hcp se hizo más fuerte en relación con la fcc. En las condiciones finales (219 gigapascales y 2630 kelvin), la firma fcc casi había desaparecido y el sistema hcp dominaba claramente.
Curiosamente, puede que esta no haya sido la primera vez que los investigadores producían hielo hcp. Al revisar los datos de un experimento anterior, se dieron cuenta de que un pico de difracción de rayos X previamente no identificado, observado por encima de los 130 gigapascales, era probablemente la señal del hielo hcp; simplemente no lo habían reconocido en ese momento.
Sus resultados sugieren que, a presiones superiores a unos 200 gigapascales, la estructura hcp puede convertirse en la disposición más estable del hielo superiónico. Puede parecer un cambio relativamente pequeño, literalmente a escala atómica, pero la diferencia podría tener grandes consecuencias para el Sistema Solar.
Si el hielo hcp conduce la electricidad de forma diferente al hielo fcc, su presencia en las profundidades de Urano y Neptuno podría cambiar los modelos sobre cómo se mueven la materia y la carga eléctrica a través de sus interiores, procesos que se cree que intervienen en la generación de los extraños, desordenados y asimétricos campos magnéticos de los planetas.
Aún desconocemos las propiedades del hielo hcp, ya que acaba de ser descubierto. Los investigadores invitan a realizar más estudios teóricos para dilucidar dichas propiedades, especialmente su plasticidad mecánica y conductividad eléctrica. También serán necesarios más experimentos para determinar con exactitud en qué punto, en los extremos de presión y temperatura, el hielo hcp es estable en relación con su homólogo fcc.
El agua es realmente extraña, y el hielo superiónico lo es aún más. Los científicos apenas han empezado a comprender las capacidades de esta extraña molécula; en cierto modo, resulta apropiado que dependamos de ella para sobrevivir.
Mantente fría, agua. O caliente. Tú haz lo que quieras.
Los resultados se han publicado en Physical Review Letters.
Fuente: Science Alert.
