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Una de las cosas más peculiares de Urano y Neptuno son sus campos magnéticos. Cada uno de estos planetas tiene una magnetosfera caliente y desordenada, desequilibrada e inclinada violentamente respecto del eje de rotación de una manera que no se ve en ningún otro planeta.

No está del todo claro por qué, pero gracias a un equipo de investigadores de China y Rusia podríamos tener una nueva pieza del rompecabezas: una forma realmente extraña e ionizada de agua llamada aquodiium que podría existir en lo profundo de los interiores de extrema alta presión de estos Mundos extraños y helados.

El aquodiium consiste en una molécula de agua normal con dos protones adicionales, lo que le da una carga neta positiva que, en cantidades suficientes, podría producir un campo magnético planetario como los de Urano y Neptuno.

Los campos magnéticos planetarios se extienden mucho en el espacio alrededor de los planetas que los producen. Sin embargo, se generan en las profundidades del planeta mediante cargas en movimiento, aunque el mecanismo preciso puede variar.

En la Tierra, es la aleación de hierro y níquel que chapotea alrededor del núcleo, gira, convecta y conduce eléctricamente, convirtiendo toda esa energía cinética en corrientes de electrones. en lo que se llama un dinamo. Para Júpiter y Saturno, los científicos creen que es el hidrógeno metálico el que proporciona un conducto para el flujo de electrones.

Tierra, Júpitery Saturno Tienen campos magnéticos relativamente ordenados que se asemejan a los de una enorme barra magnética que recorre el eje de rotación del planeta, con sus líneas de campo como una jaula que conecta claramente los polos norte y sur.

Los polos magnéticos de Urano y Neptuno, por el contrario, están inclinados 59 y 47 grados, respectivamente, con respecto a sus ejes de rotación, y las líneas del campo magnético se transforman y cambian constantemente. Y ellos son en realidad no centrado en los núcleos de los planetas.

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Una posible explicación es que los campos magnéticos podrían ser generados por un fluido iónicamente conductor, en el que los iones son los portadores de carga en lugar de que el fluido actúe como conducto para los electrones.

«El hidrógeno que rodea el núcleo rocoso de Júpiter en esos [high-pressure] condiciones es un metal líquido: puede fluir, como fluye el hierro fundido en el interior de la Tierra, y su conductividad eléctrica se debe a los electrones libres compartidos por todos los átomos de hidrógeno comprimidos entre sí», explica el químico teórico, mineralogista y físico Artem Oganov del Instituto Skolkovo de Ciencia y Tecnología en Rusia.

«Creemos que en Urano los propios iones de hidrógeno, es decir, los protones, son los portadores de carga libre».

La pregunta entonces es ¿qué iones? Algunos, como el amonio, son posibilidades obvias. Pero, ¿podrían las moléculas de agua de los planetas desempeñar también un papel más importante en el proceso?

Dirigido por el físico Jingyu Hou de la Universidad de Nankai en China, un equipo de investigadores remontó a los primeros principios combinados con modelos sobre la forma en que las moléculas pueden evolucionar, profundizando en un concepto llamado hibridación química.

Esto ocurre cuando los elementos orbitales de un átomo se mezclan o combinan para crear un átomo que puede unirse de nuevas formas. Hay diferentes tipos de hibridación, pero el relevante aquí es sp3 hibridación, en la que cuatro orbitales forman una disposición tetraédrica alrededor del núcleo central.

Cada uno de los cuatro puntos del tetraedro tiene un electrón solitario capaz de unirse con otro átomo o un par de electrones que no puede formar enlaces con otros átomos.

El oxígeno tiene dos electrones individuales y dos pares de electrones en su capa exterior. Si unes un átomo de hidrógeno a cada uno de los electrones de valencia disponibles, obtienes H2O – agua.

A veces, el hidrógeno sin su electrón, también conocido como protón simple y antiguo, se unirá a uno de los pares de electrones para formar una molécula llamada Ion de hidronio.

Un diagrama que explica la formación de aquodiium. (Skoltec)

«La pregunta era: ¿se puede añadir otro protón al ion hidronio para llenar la pieza que falta? Tal configuración en condiciones normales es energéticamente muy desfavorable, pero nuestros cálculos muestran que hay dos cosas que pueden hacer que esto suceda». dice el físico Xiao Dong de la Universidad de Nankai.

«En primer lugar, una presión muy alta obliga a la materia a reducir su volumen, y compartir un par de electrones de oxígeno previamente no utilizados con un ion de hidrógeno (protón) es una buena manera de hacerlo: como un enlace covalente con hidrógeno, excepto que ambos electrones del par provienen del oxígeno. En segundo lugar, se necesitan muchos protones disponibles, y eso significa un ambiente ácido, porque eso es lo que hacen los ácidos: donan protones».

Los investigadores realizaron modelos computacionales y, en condiciones similares a las que se cree que existen dentro de Urano y Neptuno, esto es lo que sucedió. A temperaturas de alrededor de 3.000 grados Celsius (5.430 Fahrenheit) y presiones de 1,5 millones de atmósferas, los protones se unen al hidronio para formar H.4oh2 – aquodio.

Por supuesto, sigue siendo teórico. Se necesitarán observaciones más detalladas de los dos planetas más exteriores para investigar más a fondo la posibilidad; pero los hallazgos nos brindan una nueva forma de comprender los bichos raros azules que son Urano y Neptuno.

Y también tienen implicaciones para la química en general, ya que representan, los investigadores escriben«una adición importante a las teorías físicas y químicas tradicionales, como el modelo de repulsión de pares de electrones de la capa de valencia, la transferencia de protones y la teoría ácido-base».

La investigación ha sido publicada en Revisión Física C.