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 superiónico cuando se calienta a varios miles de grados a alta presión, similar a las condiciones dentro de planetas gigantes como Urano y Neptuno. Este estado exótico del agua se caracteriza por hidrógeno líquidoiones que se mueven dentro de una red sólida de oxígeno.
Desde 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 fase del agua a alta presión. Si bien se observaron firmas indirectas, ningún grupo de investigación haha sido capaz de identificar evidencia experimental de hielo de agua superiónico, hasta ahora
En un artículo publicado hoy en Física de la naturaleza , un equipo de investigación del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore LLNL, la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Rochester proporciona evidencia experimental de la conducción superiónica en el hielo de agua en condiciones interiores planetarias, verificando la predicción de 30 años.
Utilizando 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 ycasi la temperatura de la superficie del sol.
"Nuestros experimentos han verificado las dos predicciones principales para el hielo superiónico: muy alta conductividad protónica / iónica dentro del sólido y alto punto de fusión", dijo el autor principal Marius Millot, físico de LLNL. "Nuestro trabajo proporciona evidencia experimental para el hielo superiónico".y muestra que estas predicciones no se debieron a artefactos en las simulaciones, sino que en realidad capturaron el comportamiento extraordinario del agua en esas condiciones. Esto proporciona una validación importante de las simulaciones cuánticas de vanguardia utilizando la densidad molecular basada en la teoría de la funcionalidad funcionaldinámica DFT-MD "
"Impulsado por el aumento de los recursos informáticos disponibles, creo que hemos llegado a un punto de inflexión", agregó Sebastien Hamel, físico de LLNL y coautor del artículo. "Ahora estamos en una etapa en la que un número suficiente de estosse pueden ejecutar simulaciones para mapear grandes partes del diagrama de fase de materiales en condiciones extremas con suficiente detalle para respaldar eficazmente los esfuerzos experimentales ".
Utilizando células de yunque de diamante DAC, el equipo aplicó 2.5 GPa de presión 25 mil atmósferas para precomprimir el 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 temperatura y presión ambiente, se trasladaron al Laboratorio de Energética Láser LLE de la Universidad de Rochester para realizar una compresión de choque por láser de las células precomprimidas.rayos intensos del láser Omega-60 de LLE, que emiten un pulso de luz ultravioleta de 1 nanosegundo en 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, lo que nos permite acceder a estados mucho más fríos a alta presión que en estudios de compresión de choque anteriores, para que podamos alcanzar eldominio de estabilidad previsto del hielo superiónico ", dijo Millot.
El equipo usó velocimetría interferométrica ultrarrápida y pirometría 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 descomprimieran la muestra y vaporizaran los diamantes y elagua.
"Estos son experimentos muy desafiantes, por lo que fue realmente emocionante ver que podíamos aprender mucho de los datos, especialmente porque pasamos unos dos años haciendo las mediciones y dos años más desarrollando los métodos para analizar los datos".Dijo Millot.
Este trabajo también tiene implicaciones importantes para la ciencia planetaria porque Urano y Neptuno pueden contener una gran cantidad de hielo de agua superiónico. Los científicos planetarios creen que estos planetas gigantes están hechos principalmente de una mezcla de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno CHON que corresponde a 65porcentaje de agua en masa, mezclado con amoníaco y metano.
Muchos científicos imaginan estos planetas con interiores convectivos totalmente 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, una estructura de este tipo se propuso hace una década, basada en la simulación de dinamo, 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 delas exitosas misiones de Cassini y Juno a Saturno y Júpiter.
"Los campos magnéticos proporcionan información crucial sobre los interiores y la evolución de los planetas, por lo que es gratificante que nuestros experimentos puedan probar, y de hecho, apoyar, la idea de dinamo delgado que se había propuesto para explicar los campos magnéticos realmente extrañosde Urano y Neptuno ", dijo Raymond Jeanloz, coautor del artículo y profesor de física y astronomía terrestre y planetaria en la Universidad de California, Berkeley. También es alucinante que el hielo de agua congelada esté presente a miles de grados dentro de estosplanetas, pero eso es lo que muestran los experimentos "
"El siguiente paso será determinar la estructura de la red de oxígeno", dijo Federica Coppari, física de LLNL y coautora del artículo. "La difracción de rayos X ahora se realiza de manera rutinaria en experimentos de choque láser en Omega ypermitirá 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 superiónico ".
Mirando hacia el futuro, el equipo planea impulsar una precompresión más alta y extender la técnica a otros materiales, como el helio, que serían más representativos de planetas como Saturno y Júpiter.
Los coautores incluyen a Hamel, Peter Celliers, Coppari, Dayne Fratanduono, Damian Swift y Jon Eggert de LLNL; Jeanloz de UC Berkeley; y Ryan Rygg y Gilbert Collins, anteriormente en LLNL y ahora en la Universidad de Rochester. Los experimentos tambiénfueron apoyados por los esfuerzos de fabricación de objetivos de Stephanie Uhlich de LLNL, Antonio Correa Barrios, Carol Davis, Jim Emig, Eric Folsom, Renee Posadas Soriano, Walter Unites y Timothy Uphaus.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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