Disparar una gota de agua con uno de los láseres más poderosos del mundo puede no ser una forma obvia de hacer un cubo de hielo. Pero es una forma, al menos si quieres el tipo de hielo que podrías encontrar en el interior de los gigantes planetarios. Los científicos conocen las formas exóticas de hielo durante décadas, pero solo recientemente han logrado crear algunas de las variedades más extremas en el laboratorio.
Un nuevo estudio realizado por investigadores de la Universidad de Chicago y el Instituto Carnegie de Washington en los EE. UU. recientemente sostuvo una gota de agua en una empuñadura de diamante, aumentando la presión y cocinando con un láser para aprender cómo se congela en un estado “superiónico”. En teoría, el hielo superiónico es la disposición de las moléculas de agua como una red de átomos de oxígeno rodeados por una piscina de hidrógenos que simplemente no se quedan quietos. Es técnicamente hielo, pero como un líquido y un sólido en uno.
También es el tipo de hielo que se forma no a bajas temperaturas, sino a presiones extremas. Piensa en el nivel de presión que se forma naturalmente en las profundidades, las profundidades subterráneas o, mejor aún, cerca del núcleo de planetas masivos como Neptuno. Si bien los modelos predicen algunas de las condiciones bajo las cuales debería aparecer esta fase del agua, son un poco vagos cuando se trata de las temperaturas precisas. En el corazón del problema hay una pregunta sobre algo llamado punto triple: la combinación de presión y temperatura a la que una sustancia está a punto de derretirse, congelarse y sublimarse. Para hacerlo aún más complicado, el tipo de estructura sólida en la que se puede asentar el agua también puede variar. El hielo se presenta en muchas formas, dependiendo de la disposición y los movimientos de sus elementos constituyentes.
Los experimentos podrían ayudar a precisar el camino de los cambios característicos entre los estados líquido y superiónico, pero hasta ahora obtener un conjunto confiable de resultados ha sido un verdadero desafío, con observaciones bajo diferentes métodos que discrepan por cientos de grados. Por lo general, una muestra de agua debe someterse a al menos 50 gigapascales de presión, medio millón de veces la fuerza que está experimentando en este momento bajo la atmósfera de la Tierra, y luego calentarse con un láser de alta potencia para acercarse a ver algo significativo. Entonces, cuando un equipo de físicos de la Fuente de Fotones Avanzados (APS) del Departamento de Energía se dispuso a exprimir agua dentro de un tornillo de banco de diamante a 20 gigapascales relativamente suaves, no esperaban mucho.
“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”, dice el geofísico Vitali Prakapenka de la Universidad de Chicago.
“Pero pudimos mapear con mucha precisión las propiedades de este nuevo hielo, que constituye una nueva fase de la materia, gracias a varias herramientas poderosas”.
Con su muestra de hielo superiónico en su lugar, el equipo pudo usar el acelerador APS para generar un haz de rayos X, cuando se dispersan de la muestra de hielo, estos rayos X indican las posiciones de sus átomos. Esto les permitió medir cuándo el agua se sometía a transiciones de fase específicas a medida que cambiaban las condiciones, y describir los pasos necesarios para transformarse en hielo superiónico. Pudieron aumentar la presión en su yunque de diamante y calentarlo a 6.500 grados Kelvin, lo que les permitió mapear la estabilidad de dos cambios de fase del hielo a altas temperaturas desde 20 hasta 150 gigapascales.
Debido a la forma en que los hidrógenos se mueven dentro del hielo exótico, la luz visible tiene dificultades para atravesarlo, lo que hace que su apariencia sea negra. Ese zumbido de átomos de hidrógeno que fluye a través de una red de oxígeno también podría tener un impacto en el campo electromagnético circundante, y tal vez incluso jugar un papel en la formación de la propia magnetosfera protectora de un planeta.
Recién estamos comenzando a aprender cómo los movimientos de los océanos de nuestro planeta y la química de su manto tienen una influencia sutil sobre el magnetismo de nuestro mundo. Aprender cómo los hielos exóticos también ejercen un empujón podría ayudarnos a ajustar aún más nuestros modelos. Lo que esto podría significar para los mundos extraterrestres, o incluso para nuestro propio planeta, requiere mucha más investigación.
“Es un nuevo estado de la materia, por lo que básicamente actúa como un nuevo material y puede ser diferente de lo que pensamos”, dice Prakapenka.
Fuente: Science Alert.
