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Físicos crean hielo superiónico por primera vez en la historia


Después de muchos años de experimentos, los físicos han observado que bajo temperaturas y presiones extremas, el agua adquiere una nueva forma llamada hielo superiónico.

Una de las propiedades más intrigantes del agua es que puede volverse superiónica cuando se calienta a varios miles de grados a alta presión, similar a las condiciones en el interior de planetas gigantes helados como Urano y Neptuno. Este exótico estado del agua se caracteriza por iones de hidrógeno similares a los líquidos que se mueven dentro de una red sólida de oxígeno.

Dado que esto se predijo por primera vez en 1988, muchos físicos han confirmado y mejorado las simulaciones numéricas, mientras que otros utilizaron técnicas de compresión estática para explorar el diagrama de fases del agua a alta presión.

Aunque se habían observado formas indirectas, ningún grupo de investigación había podido identificar pruebas experimentales de hielo superiónico, hasta ahora.

El experimento
Usando compresión de choque, el físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Marius Millot y sus coautores identificaron firmas termodinámicas que muestran que el hielo se derrite cuando está cerca de 5.000 grados Kelvin a 190 GPa (gigapascales) - 4.000 K más que el punto de fusión a 0.5 megabar (Mbar) y casi a la temperatura superficial del sol.

"Nuestros experimentos han verificado las dos principales predicciones para el hielo superiónico: conductividad protónica / iónica muy alta dentro del punto de fusión sólido y alto", dijo el Dr. Marius Millot.

"Nuestro trabajo proporciona evidencia experimental de hielo superiónico y muestra que estas predicciones no se debieron a artefactos en las simulaciones, sino que realmente captaron el comportamiento extraordinario del agua en esas condiciones".

"Esto proporciona una validación importante de las simulaciones cuánticas de última generación utilizando la dinámica molecular basada en la teoría de la densidad de la función".

Usando células de yunque de diamante, el equipo aplicó 2,5 GPa de presión para precomprimir agua en el hielo a temperatura ambiente VII, una forma cristalina cúbica que es diferente del hielo hexagonal "cubito de hielo", además de ser un 60% más denso que el agua a presión y temperatura ambiente.

Luego realizaron una compresión de choque impulsada por láser de células precomprimidas. Concentraron hasta seis haces intensos de un poderoso láser, entregando un pulso de luz ultravioleta de 1 nanosegundo sobre uno de los diamantes. Esto lanzó fuertes ondas de choque de varios cientos de GPa en la muestra, para comprimir y calentar el hielo de agua al mismo tiempo.

"Debido a que precomprimimos el agua, hay menos calentamiento por choque, lo que nos permite acceder a estados mucho más fríos a alta presión que en estudios anteriores de compresión de choque para que pudiéramos alcanzar el dominio de estabilidad predicho de hielo superiónico ", explicó el Dr. Millot.

Los autores utilizaron velocimetría y pirometría ultrarrápida interferométrica para caracterizar las propiedades ópticas del agua comprimida impactada y determinar sus propiedades termodinámicas durante la breve duración de 10-20 nanosegundos del experimento antes de que las ondas de liberación de presión descompusieran la muestra y vaporizaran los diamantes y el agua.

Conclusiones
"Estos son experimentos muy desafiantes, así que fue realmente emocionante ver que podíamos aprender mucho de los datos, especialmente porque pasamos unos dos años realizando las mediciones y dos años más desarrollando los métodos para analizar los datos", dijo el Dr. Millot.

Este trabajo también tiene implicaciones importantes para la ciencia planetaria porque Urano y Neptuno podrían contener una gran cantidad de hielo de agua superiónico.

Los científicos planetarios creen que estos gigantes de hielo están hechos principalmente de una mezcla de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno que corresponde al 65% de agua en masa, mezclada con amoníaco y metano. Muchos científicos imaginan estos planetas con interiores convectivos completamente fluidos.

Ahora, el descubrimiento experimental de hielo superiónico debería dar más fuerza a una nueva imagen para estos objetos con una capa relativamente delgada de fluido y un gran "manto" de hielo superiónico.

De hecho, tal estructura fue propuesta hace una década, basada en la simulación de dínamo, para explicar los inusuales campos magnéticos de estos planetas.

Referencia del documento científico:
Marius Millot et al. Evidencia experimental de hielo de agua superiónico usando compresión de choque. Nature Physics, volumen 14, páginas 297–302 (2018); DOI: 10.1038 / s41567-017-0017-4

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