El agua es una de las sustancias esenciales más comunes en el mundo humano.
Literalmente no podemos funcionar sin sus propiedades como solvente casi universal. Cae del cielo. Nos bañamos en él, lo bebemos y nos sumergimos en él por diversión.
Pero si se la considera simplemente como un líquido, el agua es extremadamente extraña y se comporta de manera completamente diferente a otros líquidos. Se vuelve menos denso cuando se congela. Su tensión superficial es extrañamente alta. También lo es su punto de ebullición. Y, según su peso molecular, debería ser un gas a temperatura ambiente.
Y eso es todo en condiciones ambientales normales de la Tierra.
Ajusta la presión y la temperatura unos cuantos puntos y el extraño comportamiento del agua se sale aún más de control.
Los científicos han demostrado ahora una de las formas de hielo más extrañas hasta el momento: bajo presiones absurdas de hasta 2,3 millones de atmósferas y temperaturas tremendas de hasta 2.630 kelvin (2.357 grados Celsius o 4.274 grados Fahrenheit).
A esas temperaturas, normalmente se esperaría que el agua fuera enfáticamente un gas, incluso parcialmente dividida en sus átomos de oxígeno e hidrógeno que la constituyen. Pero sucede algo interesante con las presiones astronómicas que se encuentran en las profundidades del interior de los planetas.
Cuando el agua pasa de líquido a gas o vapor, se expande. Bajo presiones aplastantes de millones de atmósferas, esta expansión se ve obstaculizada. En cambio, el agua puede permanecer extraordinariamente densa, adoptando formas exóticas diferentes a cualquier hielo que encontremos en la superficie de la Tierra.
Uno de ellos es el hielo superiónico, un estado de la materia profundamente extraño que no es ni enteramente sólido ni enteramente líquido. Sus átomos de oxígeno permanecen fijos en una red cristalina rígida, como lo harían en un sólido. Pero los núcleos de hidrógeno son móviles y se difunden a través de esa red más como partículas en un líquido.
En conjuntos de condiciones ligeramente diferentes, la disposición de los átomos de oxígeno cambia a diferentes configuraciones conocidas como fases. Hay unas veintitantos fases conocidas del hielo de agua, algunas de las cuales se vuelven superiónicas en condiciones extremas. Los científicos siempre están buscando más.
Y no es sólo rareza por ser rara. Se cree que el hielo superiónico existe en las profundidades de Urano y Neptuno, donde sus propiedades inusuales pueden desempeñar un papel en la generación de campos magnéticos igualmente inusuales de los planetas.
En sus nuevos experimentos, un equipo dirigido por el físico Alexis Forestier de la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica sometió pequeñas muestras de agua al tipo de condiciones extremas que se esperan en el interior de los planetas gigantes de hielo.
Exprimieron las muestras entre las puntas de los diamantes a presiones de hasta 230 gigapascales, mientras usaban láseres para calentarlas a miles de grados. Eso es 2,3 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra al nivel del mar; la presión en el centro de la Tierra, por contexto, es de alrededor de 360 gigapascales.
Luego, utilizando un haz extremadamente estrecho de rayos X sincrotrón, buscaron cambios en la estructura cristalina del hielo.
Lo que surgió fue una configuración predicha teóricamente pero nunca observada de manera inequívoca en los experimentos: hielo hexagonal compacto, o hcp. A medida que el cristal hcp se calentaba, su expansión también mostró una firma de comportamiento superiónico, lo que sugiere que entró en el estado superiónico alrededor de 1.700 kelvin.
El nombre hace referencia a la disposición de los átomos de oxígeno. Imagina que estás empacando bolas idénticas en capas; Hay varias formas diferentes de apilar esas capas mientras se empaquetan las bolas lo más apretadas posible.
Una forma de hielo superiónico previamente identificada tiene una estructura cúbica centrada en las caras, o fcc. En el hielo hcp recién identificado, las capas están apiladas en una secuencia diferente. Los investigadores encontraron evidencia de que uno puede transformarse en el otro a medida que las capas cambian de posición.
Esta transformación parece ocurrir a medida que las condiciones se vuelven más extremas.
A 155 gigapascales y 2000 kelvin, la señal observada desde la sonda de rayos X era una mezcla de fcc y hcp.
Al alcanzar 197 gigapascales y 2250 kelvin, la firma hcp se hizo más fuerte en relación con fcc.
En el conjunto final de condiciones (219 gigapascales y 2.630 kelvin), la firma FCC casi había desaparecido y HCP dominaba claramente.
Curiosamente, esta puede no haber sido la primera vez que los investigadores produjeron hielo hcp.
Al analizar los datos de un experimento anterior, se dieron cuenta de que un pico de difracción de rayos X no identificado previamente observado por encima de 130 gigapascales era probablemente la firma del hielo hcp; simplemente no lo habían reconocido en ese momento.
Sus resultados sugieren que, a presiones superiores a unos 200 gigapascales, el hcp puede convertirse en la disposición más estable del hielo superiónico.
Parece un cambio relativamente pequeño, literalmente a escala atómica, pero la diferencia podría significar grandes cosas para el Sistema Solar.
Si el hielo hcp conduce la electricidad de manera diferente que el hielo fcc, su presencia en lo profundo de Urano y Neptuno podría cambiar los modelos de cómo se mueven el material y la carga eléctrica a través de sus interiores, procesos que se cree que están involucrados en la generación de los extraños, desordenados y desequilibrados campos magnéticos de los planetas.
Relacionado: Los científicos acaban de crear ‘hielo superiónico’ que es sólido y líquido al mismo tiempo
Sin embargo, todavía no conocemos las propiedades del hielo hcp. El material acaba de ser descubierto. Los investigadores invitan a realizar más trabajos teóricos para desentrañar esas propiedades, especialmente su plasticidad mecánica y conductividad eléctrica.
También serán necesarios más experimentos para determinar exactamente dónde, en los extremos de presión y temperatura, el hielo hcp es estable en relación con su homólogo fcc.
El agua es realmente extraña y el hielo superiónico es aún más extraño. Los científicos apenas han arañado la superficie de lo que puede hacer esta extraña molécula; en cierto modo, parece apropiado que tengamos que depender de él para seguir con vida.
Mantente helado, agua. O caliente. Tú lo haces.
Los hallazgos se han publicado en Physical Review Letters.
Este artículo fue verificado por Rachel Garner y editado por Rebecca Dyer. Si bien nos enorgullecemos de nuestro proceso, somos humanos. Si detecta un error, háganoslo saber.