Resumen:
Hielo normalmente significa baja temperatura, pero los científicos ahora han confirmado que en ambientes de presión extremadamente alta, el agua puede formar un tipo especial de "hielo" que todavía existe a temperaturas superiores a 2000°C. Un equipo de investigación francés creó recientemente con éxito en el laboratorio un nuevo tipo de hielo cuya existencia ya se había predicho teóricamente: el hielo superiónico hexagonal compacto. Este material no es completamente sólido como el hielo ordinario ni puede fluir libremente como un líquido, y su estructura única puede ayudar a explicar los campos magnéticos inusualmente complejos dentro de los planetas gigantes de hielo como Urano y Neptuno.
El agua es una de las sustancias más comunes en la tierra y es indispensable para la vida. Sin embargo, desde una perspectiva física y química, el agua en realidad tiene muchas propiedades muy anormales. Por ejemplo, el volumen de agua líquida ordinaria se expandirá cuando se congele. La densidad del hielo es menor que la del agua líquida; El agua también tiene una tensión superficial y un punto de ebullición inusualmente altos. Si se calcula basándose únicamente en el peso molecular de las moléculas de agua, es incluso más probable que el agua exista en forma de gas a temperatura ambiente.
Cuando el medio ambiente cambia de la superficie de la Tierra al interior del planeta, al mismo tiempo que impone temperaturas y presiones extremas, el agua se comporta de maneras aún más peculiares. Esta vez, los investigadores simularon las condiciones extremas dentro de Urano y Neptuno en el laboratorio y capturaron directamente por primera vez la estructura cristalina del hielo superiónico hexagonal compacto.
El llamado "hielo superiónico" es un estado especial de la materia entre los sólidos y los líquidos tradicionales. Cuando el agua se somete a enormes presiones de millones de atmósferas, el material es capaz de mantener una estructura reticular sólida incluso a temperaturas muy altas. En este estado ya no existen moléculas de agua completas en el sentido tradicional. Los átomos de oxígeno están fijos en la posición de la red cristalina, mientras que los núcleos de hidrógeno pueden moverse rápidamente entre la red cristalina compuesta de átomos de oxígeno como partículas en el líquido.
Por tanto, desde una perspectiva macroscópica, esta sustancia tiene algunas características tanto de sólido como de líquido: los átomos de oxígeno forman una red sólida estable, mientras que los átomos de hidrógeno son muy móviles. Esta estructura única también hace que el hielo superiónico sea altamente conductor.
Para crear esta sustancia extrema, los investigadores colocaron una muestra muy pequeña de agua entre dos puntas de diamante y luego aplicaron gradualmente una presión de hasta 2,3 millones de atmósferas. En comparación, la presión en el núcleo de la Tierra es de unos 3,6 millones de atmósferas. Luego, los investigadores utilizaron láseres de alta potencia para calentar el agua comprimida a una temperatura de 2.630 Kelvin, o aproximadamente 2.357°C.
En condiciones tan extremas, los investigadores utilizaron rayos X de radiación sincrotrón de alta energía para realizar escaneos detallados de las muestras y observar los cambios estructurales del agua en ambientes de alta temperatura y alta presión desde la escala atómica. El experimento finalmente capturó cristales de hielo superiónicos en los que los átomos de oxígeno están dispuestos en una estructura hexagonal compacta, es decir, una estructura hcp.
El experimento también reveló el proceso mediante el cual se forma esta estructura. A medida que la presión y la temperatura continúan aumentando, la estructura cúbica centrada en las caras, o fcc, formada originalmente no permanecerá estable para siempre. El deslizamiento se producirá gradualmente entre diferentes capas dentro del cristal y, finalmente, la estructura original se transformará por completo en una estructura hexagonal compacta más estable, formando así hielo superiónico hcp que ha sido el foco de predicciones teóricas anteriormente.
La importancia de este descubrimiento no es sólo la creación de "hielo de más de 2.000 grados Celsius". Los científicos han creído durante mucho tiempo que puede haber enormes capas de hielo superiónico dentro de los planetas gigantes de hielo como Urano y Neptuno, y que la conductividad especial de este material puede estar estrechamente relacionada con los campos magnéticos extremadamente inusuales de ambos planetas.
Los campos magnéticos de Urano y Neptuno son significativamente diferentes de los de la Tierra. El campo magnético de la Tierra forma aproximadamente una estructura relativamente regular alrededor del eje de rotación del planeta, pero los campos magnéticos de Urano y Neptuno están significativamente desviados del centro y del eje de rotación del planeta, y sus estructuras son complejas y asimétricas. Los científicos han sugerido anteriormente que el área que genera este campo magnético anormal puede no estar ubicada en el núcleo del planeta, sino en una capa conductora compuesta de material de alto voltaje en su interior.
El hielo superiónico tiene una propiedad muy importante: puede conducir electricidad. Debido a que los núcleos de hidrógeno pueden moverse libremente entre la red fija de átomos de oxígeno, este material es capaz de desarrollar propiedades eléctricas e hidrodinámicas que son completamente diferentes del hielo ordinario. Si tal capa de material existe dentro de Urano y Neptuno, puede ser uno de los factores importantes que impulsan los extraños campos magnéticos de los dos planetas.
Los científicos han obtenido previamente evidencia de la existencia de hielo superiónico a través de cálculos teóricos y otros experimentos de alta presión, pero este experimento confirmó además que este material puede formar una estructura hexagonal compacta en condiciones extremas. Los investigadores creen que este resultado significa que es posible que sea necesario revisar algunos modelos de la estructura interna, los mecanismos de conducción y el flujo de material de los planetas gigantes de hielo.
Más importante aún, las condiciones de temperatura y presión dentro de Urano y Neptuno no pueden ocurrir naturalmente en la superficie de la Tierra, por lo que los experimentos con láser de alto voltaje en el laboratorio se han convertido en un medio importante para estudiar estos mundos distantes. Al recrear el interior de los planetas en la Tierra, los científicos pueden estudiar directamente estados de la materia que son inaccesibles para las naves espaciales.
Los resultados de la investigación se han publicado en Physical Review Letters. Para los científicos planetarios, la confirmación de la existencia de hielo superiónico hexagonal y compacto no sólo revela las formas complejas que puede adoptar el agua en condiciones extremas, sino que también proporciona una nueva base física para comprender los dos planetas gigantes más distantes del sistema solar.
En otras palabras, el llamado "hielo que supera los 2000°C" no significa que los cubitos de hielo no se derriten a altas temperaturas en el sentido común, sino que se forma un estado completamente nuevo de la materia bajo una enorme presión. En un entorno así, el agua se ha separado por completo de los comportamientos sólido, líquido y gaseoso que conocemos todos los días y ha adquirido una estructura extraña en la que los átomos de oxígeno están fijos y los átomos de hidrógeno se mueven libremente. Es probable que estos estados extremos de la materia estén ocultos en las profundidades de Urano y Neptuno, a miles de millones de kilómetros de distancia.
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