No todo el hielo es igual. La forma sólida del agua se presenta en más de una docena de estructuras diferentes, a veces más, a veces menos cristalinas, según las condiciones de presión y temperatura del medio ambiente. El hielo superiónico es unforma cristalina, mitad sólida, mitad líquida y eléctricamente conductora. Su existencia ha sido predicha en base a varios modelos y ya ha sido observada en varias ocasiones en condiciones de laboratorio muy extremas. Sin embargo, las condiciones exactas en las queLos hielos superiónicos son estables siguen siendo controvertidos. Un equipo de científicos dirigido por Vitali Prakapenka de la Universidad de Chicago, que también incluye a Sergey Lobanov del Centro Alemán de Investigación de Geociencias GFZ Potsdam, ahora ha medido la estructura y propiedades de dos fases de hielo superiónico hieloXVIII y hielo XX. Llevaron agua a presiones y temperaturas extremadamente altas en una celda de yunque de diamante calentada con láser. Al mismo tiempo, las muestras se examinaron conh respecto a la estructura y conductividad eléctrica.Los resultados se publicaron hoy en la revista Física de la naturaleza. Proporcionan otra pieza del rompecabezas en el espectro de las manifestaciones del agua. Y también pueden ayudar a explicar los campos magnéticos inusuales de los planetas Urano y Neptuno, que contienen mucha agua.
¿hielo caliente?
El hielo es frío. Al menos hielo tipo I de nuestro congelador, nieve o de un lago congelado. En planetas o en dispositivos de laboratorio de alta presión, hay diferentes especies de hielo, tipo VII u VIII, por ejemplo, que existen envarios cientos o miles de grados Celsius. Sin embargo, esto se debe solo a presiones muy altas de varios diez Gigapascales.
La presión y la temperatura abarcan el espacio para el llamado diagrama de fase de una sustancia: Dependiendo de estos dos parámetros, las diversas manifestaciones del agua y las transiciones entre los estados sólido, gaseoso, líquido e híbrido se registran aquí, tal como estánpredichos teóricamente o ya han sido probados en experimentos.
Vinculación de la física fundamental con cuestiones geológicas
Cuanto más alta es la presión y la temperatura, más difíciles son estos experimentos. Por lo tanto, el diagrama de fase del agua, con el hielo como su fase sólida, todavía tiene bastantes inexactitudes e inconsistencias en los rangos extremos.
"El agua es en realidad un compuesto químico relativamente simple que consta de un oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Sin embargo, con su comportamiento a menudo inusual, todavía no se comprende completamente. En el caso del agua, los intereses físicos y geocientíficos fundamentales se unen porqueel agua juega un papel importante dentro de muchos planetas. No solo en términos de la formación de la vida y los paisajes, sino, en el caso de los planetas gaseosos Urano y Neptuno, también en la formación de sus inusuales campos magnéticos planetarios ", dice Sergey.Lobanov, geofísico de GFZ Potsdam.
Condiciones únicas en el laboratorio
Sergey Lobanov es parte del equipo dirigido por el primer autor Vitali Prakapenka y Nicholas Holtgrewe, ambos de la Universidad de Chicago, y Alexander Goncharov de la Carnegie Institution de Washington. Ahora han caracterizado aún más el diagrama de fases del agua en sus extremos.Usando celdas de yunque de diamante calentadas con láser, del tamaño de un mouse de computadora, han generado altas presiones de hasta 150 Gigapascales aproximadamente 1.5 millones de veces la presión atmosférica y temperaturas de hasta 6.500 Kelvin aproximadamente 6.227 grados Celsius.la cámara de muestra, que tiene solo unos pocos milímetros cúbicos de tamaño, prevalecen las condiciones que ocurren a la profundidad de varios miles de kilómetros dentro de Urano o Neptuno.
Los científicos utilizaron difracción de rayos X para observar cómo cambia la estructura cristalina en estas condiciones. Llevaron a cabo estos experimentos utilizando rayos X de sincrotrón extremadamente brillantes en la Fuente de Fotones Avanzados APS del Laboratorio Nacional Argonne de la Universidad deChicago. Una segunda serie de experimentos en el Laboratorio de la Tierra y los Planetas de la Carnegie Institution de Washington utilizó espectroscopía óptica para determinar la conductividad electrónica.
Cambios estructurales en el hielo a medida que pasa por el espacio de fase: formación de hielo superiónico
Los investigadores primero produjeron hielo VII o X a partir de agua a temperatura ambiente aumentando la presión a varias decenas de Gigapascal ver el diagrama de fase. Y luego, a presión constante, aumentaron la temperatura calentándolo con luz láser. EnDurante el proceso, observaron cómo cambiaba la estructura cristalina del hielo: primero, los átomos de oxígeno e hidrógeno se movían un poco alrededor de sus posiciones fijas. Luego, solo el oxígeno permanecía fijo y formaba su propia red cristalina cúbica. A medida que aumentaba la temperatura, el hidrógeno se ionizaba,es decir, cedió su único electrón a la red de oxígeno. Su núcleo atómico - un protón cargado positivamente - luego pasó a través de este sólido, haciéndolo eléctricamente conductor. De esta manera, se crea un híbrido de sólido y líquido: hielo superiónico.
Su existencia fue predicha sobre la base de varios modelos y ya se ha observado en varias ocasiones en condiciones de laboratorio. Los científicos ahora han podido sintetizar e identificar dos fases de hielo superiónico - hielo XVIII y hielo XX -, y delinearlas condiciones de presión y temperatura de su estabilidad. "Debido a su densidad distinta y conductividad óptica aumentada, asignamos las estructuras observadas a las fases de hielo superiónico teóricamente predichas", explica Lobanov.
Consecuencias para la explicación del campo magnético de Urano y Neptuno
En particular, la transición de fase a un líquido conductor tiene consecuencias interesantes para las preguntas abiertas que rodean el campo magnético de Urano y Neptuno, que presumiblemente consisten en más del sesenta por ciento de agua. Su campo magnético es inusual porque no se ejecuta cuasiparalelo y simétricamente al eje de rotación, como lo hace en la Tierra, pero está sesgado y descentrado. Por lo tanto, los modelos de su formación suponen que no se genera, como en la Tierra, por el movimiento del hierro fundido enel núcleo, sino por un líquido conductor rico en agua en el tercio exterior de Urano o Neptuno.
"En el diagrama de fase, podemos dibujar la presión y la temperatura en el interior de Urano y Neptuno. Aquí, la presión se puede tomar aproximadamente como una medida de la profundidad en el interior. Con base en los límites de fase refinados que hemos medido,ver que aproximadamente el tercio superior de ambos planetas es líquido, pero los interiores más profundos contienen hielos superiónicos sólidos. Esto confirma las predicciones sobre el origen del campo magnético observado ", resume Lobanov.
Outlook
El geofísico enfatiza que en la GFZ se llevarán a cabo más investigaciones para aclarar mejor la estructura interna y el campo magnético de los dos planetas gaseosos. Aquí, además de las celdas de yunque de diamante que ya están en uso, existe la correspondiente alta-laboratorio de presión y el equipo de medición espectroscópica de alta sensibilidad. Lobanov creó este último como parte de su financiación como jefe del Grupo de Jóvenes Investigadores de Helmholtz CLEAR para investigar los fenómenos de la Tierra profunda con técnicas de espectroscopia de resolución temporal ultrarrápida no convencionales.
Financiamiento : El trabajo de Sergey Lobanov fue apoyado dentro del Programa de Jóvenes Investigadores de Helmholtz CLEAR VH-NG-1325.
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