Una nueva investigación que involucra a científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) muestra que el agua puede permanecer líquida en un estado metaestable cuando pasa de líquido a una forma densa de hielo a presiones más altas que las medidas anteriormente.

El agua en condiciones extremas ha atraído la atención recientemente debido a su complejo diagrama de fase, incluidas las fases de hielo superiónico que tienen propiedades exóticas que existen a altas presiones y densidades. Hasta la fecha, Se han encontrado 20 fases de hielo cristalinas únicas de forma natural en la Tierra o en el laboratorio. El agua también exhibe extraños fenómenos metaestables cuando se comprime o enfría muy rápidamente, que han atraído el interés de físicos de todo el mundo durante muchos años.

"Si el agua se comprime muy rápidamente, permanecerá líquido en un estado metaestable hasta que finalmente cristalice en hielo VII a una presión más alta de la esperada, "dijo Michelle Marshall, un científico investigador en el Laboratorio de Energía Láser (LLE) de la Universidad de Rochester, un ex postdoctorado de LLNL y autor principal del estudio que aparece en Cartas de revisión física .

Ice VII es el polimorfo estable del agua a temperatura ambiente y a presiones superiores a ∼2 GPa (más de 19, 000 atmósferas]. Recientemente, El hielo VII se encontró naturalmente en la Tierra por primera vez como inclusiones en diamantes provenientes de las profundidades del manto. Puede existir dentro de las lunas heladas de Júpiter y en mundos acuáticos más allá de nuestro sistema solar.

La nueva investigación mostró cómo el agua puede permanecer líquida en un estado metaestable cuando se somete a la transición de líquido a hielo-VII a presiones más altas que las medidas anteriormente. El trabajo experimental anterior en la instalación gigante de energía pulsada Z mostró que el agua comprimida se transforma en hielo VII a 7 GPa (69, 000 atmósferas) cuando el agua se comprime en rampa durante cientos de nanosegundos. En cambio, los nuevos experimentos cambiaron para usar láseres de alta potencia en la instalación de láser Omega para comprimir el agua en escalas de tiempo aún más cortas (nanosegundos).

Al igual que en trabajos anteriores de LLNL sobre oro (Au) y platino (Pt), lo más difícil es comprimir el agua con la suficiente suavidad para evitar que se forme una onda de choque que arruinaría el experimento (es decir, realizar una compresión en rampa sin choque). Debido a que el agua es mucho más compresible que metales como Au y Pt, La creación de una onda de compresión en rampa en una capa de agua micrométrica requiere aumentar la carga de presión a un ritmo mucho más lento.

"Aunque las presiones que logramos parecen muy modestas en comparación con otros experimentos de compresión dinámica ultrarrápida impulsados ​​por láser, Estos experimentos extremadamente difíciles están realmente en la frontera de lo que podemos hacer con láseres gigantes, y ese fue un desafío emocionante, ", dijo el científico y coautor de LLNL, Marius Millot.

Los nuevos datos revelan que el agua puede permanecer líquida hasta al menos 8-9 GPa (79, 000-89, 000 atmósferas) antes de cristalizar en hielo VII:la presión de congelación aumenta con la velocidad de compresión.

"Esto significa que el agua puede permanecer líquida a presiones al menos 3,5 veces más altas de lo esperado según el diagrama de fase de equilibrio, Marshall dijo. Es realmente genial pensar que lo estamos comprimiendo tan rápido que el agua no tiene tiempo de cristalizar. por lo que permanece líquido ".

"Estamos en la frontera de la ciencia experimental ultrarrápida, Marshall dijo, "y fue genial colaborar con nuestros colegas de teoría y simulación para obtener una imagen más detallada de lo que estaba sucediendo. Es notable que los avances teóricos y numéricos más recientes ahora brinden una comprensión detallada de los fenómenos observados. Esto podría tener implicaciones para nuestra comprensión general de las transformaciones de fase en condiciones extremas ".

Este trabajo es parte de un esfuerzo más amplio para comprender la cinética de transición de fase en materiales comprimidos dinámicamente. La naturaleza ubicua del agua y su diagrama de fase complejo hacen que la transición de fase de líquido a hielo VII sea un banco de pruebas interesante para el modelado de la cinética de transición de fase. SAMSA, un modelo cinético desarrollado por LLNL, proporciona una comprensión detallada de los resultados experimentales mientras se basa en la imagen fundamentalmente simple de la nucleación homogénea utilizando la teoría clásica de la nucleación.

Hablando en general, este trabajo ayuda a mejorar los modelos materiales y la comprensión, lo que podría tener implicaciones interesantes para otras áreas clave de investigación en el Laboratorio, como la fabricación avanzada y la impresión 3D. Los estados metaestables y la cristalización compleja del agua también son clave para la ciencia atmosférica y, por lo tanto, para la seguridad climática.