Cuando el agua se expone a temperaturas de varios miles de grados Celsius y presiones de millones de atmósferas, sufre una transformación dramática. En estas condiciones extremas, el agua entra en un raro estado conocido como agua superiónica.
Esta fase inusual del agua conduce notablemente bien la electricidad, lo que la convierte en un fuerte candidato para explicar los extraños campos magnéticos observados alrededor de los planetas gigantes de hielo. Se cree que Urano y Neptuno contienen grandes cantidades de agua en lo profundo de sus interiores, lo que significa que el agua superiónica puede ser la forma dominante de agua en la mayor parte del Sistema Solar.
El antiguo misterio de la estructura del agua superiónica
Los científicos habían podido crear agua superiónica anteriormente en experimentos de laboratorio, pero su estructura interna no se conocía bien. Estudios anteriores sugirieron que los átomos de oxígeno pueden organizarse en uno de dos patrones cúbicos generales. Estos incluían una disposición cúbica centrada en el cuerpo, donde un átomo adicional se ubica en el centro del cubo, o una disposición cúbica centrada en las caras, donde los átomos ocupan los centros de cada cara.
Una nueva investigación muestra que la realidad es mucho más compleja. En lugar de formar un patrón ordenado único, los átomos de oxígeno se ensamblan en una estructura mixta que combina cubos centrados en las caras con capas hexagonales muy compactas. En la región hexagonal, los átomos están estrechamente empaquetados en un patrón hexagonal repetitivo. Cuando estas regiones se combinan con el segmento cúbico, el resultado es un amplio desorden estructural. En lugar de una red limpia y repetitiva, los átomos forman una disposición híbrida e irregular que sólo puede detectarse utilizando técnicas de medición de alta precisión posibles gracias a láseres de rayos X avanzados.
Recreando extremos planetarios en el laboratorio
Para descubrir estos detalles, los investigadores realizaron dos experimentos separados. Uno se realizó en el instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) en LCLS en los Estados Unidos y el otro en el instrumento HED-HIBEF en el XFEL europeo. Estas poderosas instalaciones permiten a los científicos presurizar el agua a más de 1,5 millones de atmósferas y calentarla a decenas de miles de grados Celsius, mientras capturan instantáneas de su estructura atómica en billonésimas de segundo.
Los resultados se alinean estrechamente con las simulaciones por computadora más avanzadas y muestran que el agua superiónica puede adoptar múltiples formas estructurales similares al hielo normal, que se sabe que existe en diferentes fases cristalinas dependiendo de la temperatura y la presión. El trabajo refuerza la idea de que el agua –a pesar de su aparente sencillez– sigue mostrando un comportamiento inesperado y extraordinario en condiciones extremas. Estos hallazgos ayudan a refinar los modelos de la estructura interna y la evolución a largo plazo de los planetas gigantes de hielo, que se cree que son comunes en todo el universo.
*El agua superiónica es un estado inusual de agua que se forma bajo presiones y temperaturas extremadamente altas, mucho más altas que las que se encuentran en la superficie de la Tierra. En esta etapa, el agua se comporta como un sólido, pero los iones de hidrógeno pueden moverse libremente a través de una red rígida de átomos de oxígeno. Esta combinación única le da al agua superiónica la capacidad de conducir electricidad. Los científicos creen que existe en las profundidades del planeta gigante, donde estas condiciones extremas ocurren naturalmente.
La investigación contó con el apoyo de una iniciativa conjunta entre la Fundación Alemana de Investigación (DFG) y la agencia francesa de financiación de la investigación ANR. Más de 60 científicos de Europa y Estados Unidos contribuyeron a los experimentos y análisis.
