A pesar de las apariencias exteriores, el funcionamiento interno de gigantes de hielo como Urano y Neptuno es extremadamente caótico.
Presiones millones de veces mayores que el nivel del mar de la Tierra se combinan con temperaturas de miles de grados para producir algunos materiales bastante extraños.
Ahora, un nuevo artículo de investigadores de la Institución Carnegie, publicado en Nature Communications, describe un estado de la materia completamente nuevo que podría existir en estos entornos extremos: una fase “superiónica cuasi-1D”.
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que estos planetas helados no están formados por “hielos” normales como podríamos pensar en ellos en la Tierra. En cambio, están compuestos de una suspensión densa y caliente de agua, amoníaco y metano.
Pero recrear las condiciones que crean esa mezcla en un laboratorio es casi imposible. Se necesitarían terapascales de presión a temperaturas suficientemente altas para derretir la mayoría de los contenedores.
Normalmente, los investigadores recurren a simulaciones para resolver este problema, concretamente a una conocida como “Urano sintético”, que imita el entorno del séptimo planeta desde el Sol, incluyendo la presión y el calor.
Gracias a estudios químicos anteriores, ya sabíamos que las moléculas convencionales, como el metano, no sobreviven en sus formas tradicionales. Se rompe a unos 95 gigapascales, creando materiales ricos en hidrógeno junto con alótropos de carbono como el diamante.
Pero incluso ese estilo de simulación tiene sus defectos y falla ante presiones aún mayores.
Para rectificar ese problema, el artículo lo aborda desde el punto de vista de los primeros principios, permitiendo que la mecánica cuántica del sistema construya todo el entorno, al menos en la medida en que la mecánica cuántica se permitirá modelar de todos modos.
Según este método de simulación, a presiones superiores a 1.100 GPa, el carbono y el hidrógeno pasan a formar un compuesto estable, pero con una estructura muy inusual.
frameborder=”0″ enable=”accelerómetro; reproducción automática; escritura en portapapeles; medios cifrados; giroscopio; imagen en imagen; compartir web” referrerpolicy=”origen-estricto-cuando-origen-cruzado” enablefullscreen>Los átomos de carbono a estas presiones se bloquean en una red rígida y sólida con forma de hélice quiral, básicamente una escalera de caracol microscópica y sinuosa.
Pero la parte más interesante ocurre cuando se añade calor. Normalmente, agregar calor convertiría esta estructura reticular en un líquido, permitiendo que los átomos se movieran libremente.
Pero en algunos otros materiales, como el agua, el aumento del calor hace que un conjunto de átomos (en el caso del agua, el oxígeno) permanezca en un cristal sólido mientras que el otro (el hidrógeno) comienza a fluir libremente. Esto se conoce como estado “superiónico”.
Entre 1.000 y 3.000 Kelvin, el nuevo compuesto CH entra en estado superiónico, pero con un giro. En lugar de que el oxígeno forme la estructura cristalina, como ocurre en el agua, esta red cristalina está formada por átomos de carbono.
Los átomos de hidrógeno, aunque están restringidos por la red de carbono, exhiben difusión superiónica a lo largo de la “escalera” helicoidal (el eje z) combinada con un movimiento de rotación en el plano transversal (xy).
Esos átomos de hidrógeno pueden fluir fácilmente hacia arriba o hacia abajo por la escalera, pero en las otras direcciones parece más probable que giren que que se muevan.
Este movimiento unidireccional con rotación bidimensional hizo que los investigadores lo clasificaran como un tipo híbrido de “dimensionalidad difusional”, el primer estado superiónico cuasi-1D del mundo.
Todo eso está bien en teoría, pero ¿qué significa en la práctica? El impacto más notable es que las propiedades del material se vuelven anisotrópicas, lo que significa que varían según la dirección desde la que se miden.
Por ejemplo, el material parece conducir muy bien el calor y la electricidad en el eje de la “escalera”, pero no tanto en ninguno de los otros dos. Además, a pesar de que tiene átomos de hidrógeno en movimiento (que están cargados positivamente), la conductividad eléctrica parece estar todavía dominada por los electrones en movimiento.
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A escala macro, esto ayuda a alimentar las teorías sobre por qué los campos magnéticos de Neptuno y Urano son tan extraños. Los modelos convencionales explican sus campos magnéticos inclinados suponiendo que los hielos superiónicos calientes conducen el calor y la electricidad de la misma manera en todas las direcciones.
Pero con esta nueva fase superiónica cuasi-1D, esa suposición se pone en duda y podría ajustarse mejor a los datos experimentales que obtenemos de los propios planetas.
Obviamente, un material básico de carbono-hidrógeno es una enorme simplificación de la compleja dinámica química y térmica que ocurre en los núcleos de estos mundos.
Pero el hecho de que incluso tengamos la oportunidad de modelar y comprender cómo algunos de estos materiales podrían funcionar en el mundo real muestra que hay mucho más que la ciencia planetaria aún puede enseñarnos sobre cómo funciona el universo.
Este artículo fue publicado originalmente por Universe Today. Lea el artículo original.