Anteriormente, los investigadores utilizaron ondas de choque para crear este hielo extraño durante solo 20 nanosegundos antes de que se disolviera. Este nuevo experimento marca la primera vez que los científicos han creado hielo superiónico estable que dura lo suficiente como para ser estudiado en detalle. Los investigadores publicaron sus hallazgos el 14 de octubre en la revista Nature Physics .
“Fue una sorpresa: todo el mundo pensó que esta fase no aparecería hasta que estuviera bajo presiones mucho más altas que donde la encontramos por primera vez”, dijo el coautor del estudio, Vitali Prakapenka, geofísico de la Universidad de Chicago y científico de líneas de luz en Advanced Photon Source en el Laboratorio Nacional Argonne, dijo en un comunicado .
El líquido, el vapor y el hielo son las fases más comunes del agua, pero las moléculas de agua también pueden asentarse en otros arreglos que representan diferentes fases. De hecho, los científicos han identificado 20 fases de hielo de agua : las diferentes formas en que los átomos de hidrógeno y oxígeno unidos pueden apilarse bajo diferentes temperaturas y presiones.
La fase de este hielo superiónico
El hielo superiónico supercaliente y altamente presurizado es la fase 18 del hielo que se ha descubierto, y es una de las más extrañas hasta ahora. Esto se debe a que 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.
“Imagínese un cubo, una red con átomos de oxígeno en las esquinas conectados por hidrógeno”, dijo Prakapenka. “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 de oxígeno sólido en un océano de átomos de hidrógeno flotantes “.
Estos átomos de hidrógeno que nadan impiden que la luz atraviese el hielo de una manera predecible, dándole su apariencia negra.
Un grupo dirigido por el profesor de Química de la Universidad de Sassari, Pierfranco Demontis, teorizó por primera vez la existencia de hielo superiónico en 1988, y los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California encontraron la primera evidencia de ello en 2018. Al disparar una gota de agua con una onda de choque de alta presión generada por un láser, los investigadores lograron las temperaturas y presiones requeridas para que el hielo superiónico apareciera momentáneamente, e incluso midieron la conductividad eléctrica del hielo y vislumbraron su estructura en los pocos nanosegundos (mil millonésimas de un segundo) antes de que el hielo superiónico se derritiera.
Para tomar medidas más detalladas, Prakapenka y sus colegas necesitaban crear el hielo de una forma más estable. Así que exprimieron su gota de agua con un yunque de diamante de 0,2 quilates y le dispararon con un láser. La dureza de los diamantes permitió que el yunque presurizara la gota a 3,5 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra y el láser la calentó a temperaturas más altas que la superficie del sol. Luego, con un dispositivo de aceleración de electrones llamado sincrotrón, el equipo lanzó rayos X a la gota. Al medir las intensidades y ángulos de los rayos X que fueron dispersados por los átomos dentro del hielo, los investigadores identificaron la estructura del hielo superiónico.
Investigación y estudio de esta materia
Este método les dio a los investigadores un marco de tiempo más largo, en el rango de microsegundos (millonésima de segundo), para observar su hielo que el que tenía el experimento de ondas de choque. Ese tiempo adicional significó que podían trazar con precisión las diferentes transiciones de fase de la gota de agua a medida que se transformaba en hielo superiónico.
Un estudio adicional podría ayudar a los científicos a comprender mejor las propiedades del hielo y mapear las condiciones bajo las cuales ocurren las diferentes fases del hielo en la naturaleza. Debido a que los iones de hidrógeno que flotan libremente pueden crear un campo magnético, los investigadores se preguntan si los hielos superiónicos están enterrados en los núcleos de planetas como Neptuno y Urano, o atrapados dentro de los mares helados de Europa, la luna de Júpiter, que tiene una corteza helada. Si es así, los hielos podrían desempeñar un papel clave en la inducción de las magnetosferas que rodean estos planetas, o planetas más allá de nuestro sistema solar. Dado que las magnetosferas son, a su vez, responsables de proteger a los planetas de la radiación solar dañina y 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.
Por ahora, hay muchas más propiedades del nuevo hielo para explorar, incluida su conductividad, viscosidad y estabilidad química, información crucial para predecir dónde podría formarse el hielo extraño en otro lugar.
“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.
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