Entre los muchos descubrimientos sobre la materia a alta presión que le valieron el Premio Nobel en 1946, El científico Percy Bridgman descubrió cinco formas cristalinas diferentes de hielo de agua, marcando el comienzo de más de 100 años de investigación sobre cómo se comporta el hielo en condiciones extremas.

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 dentro de planetas gigantes como Urano y Neptuno. Este exótico estado del agua se caracteriza por iones de hidrógeno similares a líquidos que se mueven dentro de una red sólida de oxígeno.

Dado que esto se predijo por primera vez en 1988, muchos grupos de investigación en el campo han confirmado y refinado simulaciones numéricas, mientras que otros utilizaron técnicas de compresión estática para explorar el diagrama de fases del agua a alta presión. Si bien se observaron firmas indirectas, ningún grupo de investigación ha podido identificar evidencia experimental de hielo de agua superiónica, hasta ahora.

En un artículo publicado hoy por Física de la naturaleza , un equipo de investigación del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Rochester proporcionan evidencia experimental de conducción superiónica en agua helada en condiciones del interior planetario, Verificando la predicción de 30 años.

Usando compresión de choque, El equipo identificó firmas termodinámicas que muestran que el hielo se derrite cerca de 5000 Kelvin (K) a 200 gigapascales (GPa, 2 millones de veces la atmósfera de la Tierra), 4000 K más alto que el punto de fusión a 0,5 megabar (Mbar) y casi la temperatura de la superficie del sol.

"Nuestros experimentos han verificado las dos predicciones principales para el hielo superiónico:conductividad protónica / iónica muy alta dentro del sólido y punto de fusión alto, "dijo el autor principal Marius Millot, físico en LLNL. "Nuestro trabajo proporciona evidencia experimental para el hielo superiónico y muestra que estas predicciones no se debieron a artefactos en las simulaciones, pero en realidad capturó el extraordinario comportamiento del agua en esas condiciones. Esto proporciona una validación importante de las simulaciones cuánticas de última generación que utilizan la dinámica molecular basada en la teoría funcional de la densidad (DFT-MD) ".

"Impulsado por el aumento de los recursos informáticos disponibles, Siento que hemos llegado a un punto de inflexión "añadió Sebastien Hamel, Físico del LLNL y coautor del artículo. "Ahora nos encontramos en una etapa en la que se puede ejecutar un número suficientemente grande de estas simulaciones para trazar grandes partes del diagrama de fase de los materiales en condiciones extremas con suficiente detalle para respaldar eficazmente los esfuerzos experimentales".

Usando celdas de yunque de diamante (DAC), el equipo aplicó 2.5 GPa de presión (25 mil atmósferas) para precomprimir agua en el hielo VII a temperatura ambiente, una forma cristalina cúbica que es diferente del hielo hexagonal "cubito de hielo", además de ser un 60 por ciento más denso que el agua a presión y temperatura ambiente. Luego se trasladaron al Laboratorio de Energética Láser (LLE) de la Universidad de Rochester para realizar una compresión de choque impulsada por láser de las células precomprimidas. Enfocaron hasta seis rayos intensos del láser Omega-60 de LLE, entregando un pulso de 1 nanosegundo de luz ultravioleta 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 que si comprimiéramos el agua líquida ambiental, permitiéndonos acceder a estados mucho más fríos a alta presión que en estudios previos de compresión de choque, para que pudiéramos alcanzar el dominio de estabilidad predicho del hielo superiónico, "Dijo Millot.

El equipo usó 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 a 20 nanosegundos del experimento. antes de que las ondas de liberación de presión descomprimieran la muestra y vaporizaran los diamantes y el agua.

"Estos son experimentos muy desafiantes, por lo que fue realmente emocionante ver que podíamos aprender tanto de los datos, especialmente porque pasamos aproximadamente dos años haciendo las mediciones y dos años más desarrollando los métodos para analizar los datos, "Dijo Millot.

Este trabajo también tiene importantes implicaciones para la ciencia planetaria porque Urano y Neptuno pueden contener una gran cantidad de hielo de agua superiónica. Los científicos planetarios creen que estos planetas gigantes están hechos principalmente de carbono, hidrógeno, mezcla de oxígeno y nitrógeno (C-H-O-N) que corresponde a 65 por ciento de agua en masa, mezclado con amoniaco y metano.

Muchos científicos imaginan estos planetas con interiores de convección completamente fluidos. Ahora, el descubrimiento experimental del hielo superiónico debería dar más fuerza a una nueva imagen de estos objetos con una capa relativamente delgada de fluido y un gran "manto" de hielo superiónico. De hecho, una estructura de este tipo se propuso hace una década, basada en la simulación de dínamo, para explicar los campos magnéticos inusuales de estos planetas. Esto es particularmente relevante ya que la NASA está considerando lanzar una sonda a Urano y / o Neptuno, siguiendo los pasos de las exitosas misiones Cassini y Juno a Saturno y Júpiter.

"Los campos magnéticos proporcionan información crucial sobre el interior y la evolución de los planetas, por lo que es gratificante que nuestros experimentos puedan probar y, de hecho, apoyo:la idea de dínamo delgada que se había propuesto para explicar los campos magnéticos verdaderamente extraños de Urano y Neptuno, "dijo Raymond Jeanloz, coautor del artículo y profesor de Física y Astronomía Planetaria y de la Tierra en la Universidad de California, Berkeley. También es asombroso que el hielo de agua congelada esté presente a miles de grados dentro de estos planetas, pero eso es lo que muestran los experimentos ".

"El siguiente paso será determinar la estructura de la red de oxígeno, "dijo Federica Coppari, Físico del LLNL y coautor del artículo. "La difracción de rayos X ahora se realiza de forma rutinaria en experimentos de choque láser en Omega y permitirá determinar experimentalmente la estructura cristalina del agua superiónica. Esto sería muy emocionante porque las simulaciones teóricas luchan por predecir la estructura real del hielo de agua superiónica".

Mirando hacia el futuro, el equipo planea impulsar una precompresión más alta y extender la técnica a otros materiales, como el helio, eso sería más representativo de planetas como Saturno y Júpiter.