Recrean de forma estable un nuevo estado de la materia: hielo superiónico, sólido y líquido a la vez

Escrito por el noviembre 16, 2021

Tradicionalmente en la escuela, nos han enseñado el agua puede existir en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Pero eso no es del todo cierto, ya que el líquido base de nuestra vida, en realidad, es mucho más complejo. Si se le somete a altas temperaturas y presiones, el agua se convierte en 'otras cosas'. Por ejemplo, se sabe que se 'esconde' incrustada en muchos minerales (llamados minerales hidratados) en forma de moléculas de hidroxilo (OH). De hecho, cada vez más estudios apuntan a que existen ingentes cantidades de agua, incluso mucho más que en la superficie, encerradas en los minerales hidratados del interior terrestre.

Pero no es el único estado 'exótico' del agua. En esos ambientes de altas temperaturas y presiones también se puede formar lo que los científicos conocen como 'hielo superiónico', un estado en el que el agua es, a la vez, sólido y líquido. En ese momento se rompen los enlaces de hidrógeno y oxígeno, quedando por un lado iones de oxígeno cristalizados -que forman una matriz sólida- y, por otro, iones de hidrógeno, que fluyen a través de esa matriz.

Ahora, un equipo de investigadores han podido recrear este estado gracias a una gota de agua, dos diamantes y uno de los láser más potentes del mundo. Los resultados acaban de publicarse en la revista 'Nature Physics'.

Creando hielo superiónico desde 2018
No es la primera vez que se crea este extraño hielo en laboratorio, si bien los experimentos apenas duraban nanosegundos y, según la técnica empleada, arrojaban resultados contradictorios. El avance de este nuevo trabajo es la creación de un hielo superiónico estable que dura tanto como para poder ser estudiado en detalle. Sin embargo, hubo sorpresas: «Todos pensaron que esta fase no aparecería hasta que se sometiera a presiones mucho más altas que donde la encontramos por primera vez -explica en un comunicado
Vitali Prakapenka, geofísico de la Universidad de Chicago y científico del Laboratorio Nacional Argonne.

Hasta ahora los científicos han identificado 20 fases de hielo de agua -es decir, las diferentes formas en que los átomos de hidrógeno y oxígeno unidos pueden apilarse bajo diferentes temperaturas y presiones-. Por ejemplo, el hielo VI y el hielo VII tienen moléculas que se organizan en prismas o cubos rectangulares, respectivamente. El hielo XI cambia si se coloca dentro de un campo eléctrico, y el hielo XIX es frágil y solo sus átomos de hidrógeno forman un patrón regular.

El hielo superiónico a altas temperaturas y presiones es la fase XVIII, y una de las más extrañas descubiertas hasta la fecha. En este estado, sus átomos de oxígeno se bloquean en su lugar como lo harían en un sólido, pero sus átomos de hidrógeno, después de ceder sus electrones, se convierten en iones (núcleos atómicos despojados de sus electrones y, por lo tanto, cargados positivamente) que pueden fluir libremente a través del hielo como si eran un fluido. «Es como una red sólida de oxígeno sentada en un océano de átomos de hidrógeno flotantes», ejemplifica Prakapenka.

Pierfranco Demontis teorizó por primera vez la existencia de este hielo en 1988, pero no fue hasta 2018 cuando se pudo probar que, en efecto, existía. Sin embargo, el experimento apenas duraba nanosegundos justo antes de que el hielo se derritiera.

Una gota de agua, dos diamantes y un láser

Para tomar medidas más detalladas, Prakapenka y sus colegas necesitaban crear el hielo de una forma más estable. Para simular la alta presión, comprimieron una gota de agua en un

a suerte de 'yunque' de diamantes de 0,2 quilates, lo que permitió presurizar el líquido más allá de 3,5 millones de veces la presión atmosférica del la Tierra al nivel del mar. Después, un láser calienta la gota a temperaturas más altas que las de la superficie del Sol. Por último, utilizaron un dispositivo de aceleración de electrones llamado sincrotrón, con lo que pudieron identificar la estructura del hielo superiónico.

Con este experimento, los autores consiguieron alargar el experimento, si bien apenas unos microsengundos. Sin embargo, fue suficiente como para analizar de forma más detallada las diferentes transiciones de cada fase de la gota de agua a medida que se transformaba en hielo superiónico.

Cuando realizaron los experimentos por primera vez, Prakapenka obsevó lecturas de la estructura muy diferentes de lo esperado, por lo que pensó que algo había salido mal. «Pero cuando apagamos el láser y la muestra volvió a temperatura ambiente, el hielo regresó a su estado original -afirma-. «Eso significaba que se produjo un cambio estructural reversible, no una reacción química». Y así es como se dieron cuenta de que, en efecto, tenían un nuevo estado entre las manos.

No fue la única sorpresa: la mayoría de los modelos habían predicho esta fase a más de 50 gigapascales de presión (aproximadamente las mismas condiciones que se producen dentro del combustible del cohete cuando detona para el despegue). Pero, en este caso, solo fueron necesarios 20 gigapascales, señal de cuánta información aún es necesaria para comprender este nuevo estado.

El hielo superiónico en otros planetas
Los científicos creen que el hielo superiónico podría ser la clave para entender otros mundos helados y magnetizados, como Neptuno, Urano o la luna joviana Europa: debido a que los iones de hidrógeno flotan libremente, estos podrían crear un campo magnético. Si es así, los hielos de estos cuerpos podrían desempeñar un papel clave en la inducción de las magnetosferas que les rodean. Y no solo en el Sistema Solar, sino también en otros mundos fuera de nuestro 'vecindario cósmico'. Como las magnetosferas son, a su vez, responsables de proteger a los planetas de la dañina radiación solar y de los rayos cósmicos, saber cómo y dónde se forma el hielo superiónico podría convertirse en una guía extremadamente útil para los científicos que buscan vida extraterrestre.

Sin embargo, aún nos queda mucho por sabes del hielo superiónico, como su conductividad, su viscosidad o su estabilidad química. O cómo se encuentra en nuestro propio mundo y si solo afecta al agua. «Es un nuevo estado de la materia, por lo que actúa como un nuevo material y puede ser diferente de lo que pensamos», señala Prakapenka.


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