Utilizando la fuente de fotones avanzada, los científicos han recreado la estructura del hielo formado en el centro de planetas como Neptuno y Urano.
Todos conocen el hielo, el líquido y el vapor, pero, dependiendo de las condiciones, el agua puede formar más de una docena de estructuras diferentes. Los científicos ahora han agregado una nueva fase a la lista: el hielo superiónico.
Este tipo de hielo se forma a temperaturas y presiones extremadamente altas, como en las profundidades de planetas como Neptuno y Urano. Anteriormente, el hielo superiónico solo se había vislumbrado en un breve instante cuando los científicos enviaron una onda de choque a través de una gota de agua, pero en unnuevo estudio publicado en Nature Physics , los científicos encontraron una manera de crear, mantener y examinar el hielo de manera confiable.
"Fue una sorpresa: todos pensaron que esta fase no aparecería hasta que se encuentre bajo presiones mucho más altas que donde la encontramos por primera vez", dijo el coautor del estudio, Vitali Prakapenka, profesor de investigación de la Universidad de Chicago y científico de líneas de luz enAdvanced Photon Source APS, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. DOE en el Laboratorio Nacional de Argonne del DOE ". Pero pudimos mapear con mucha precisión las propiedades de este nuevo hielo, que constituye una nueva fase deimporta, gracias a varias herramientas poderosas. "
Incluso cuando los humanos han mirado hacia atrás en el tiempo hasta el comienzo del universo, y hasta las partículas más pequeñas que componen toda la materia, todavía no entendemos exactamente qué acecha en las profundidades de la Tierra, y mucho menos dentro del hermanoplanetas en nuestro sistema solar. Los científicos solo cavaron alrededor de siete millas y media debajo de la superficie de la Tierra antes de que el equipo comenzara a derretirse debido al calor y la presión extremos. En esas condiciones, la roca se comporta más como plástico y las estructuras de incluso moléculas básicascomo el agua comienza a cambiar.
"Pudimos mapear con mucha precisión las propiedades de este nuevo hielo, que constituye una nueva fase de la materia, gracias a varias herramientas poderosas". Vitali Prakapenka, Universidad de Chicago.
Dado que no podemos llegar a estos lugares físicamente, los científicos deben recurrir al laboratorio para recrear condiciones de calor y presión extremos.
Prakapenka y sus colegas usan el APS, un acelerador masivo que impulsa a los electrones a velocidades extremadamente altas cercanas a la velocidad de la luz para generar haces brillantes de rayos X. Exprimen sus muestras entre dos piezas de diamante, la sustancia más dura enTierra: para simular las intensas presiones y luego disparar láseres a través de los diamantes para calentar la muestra. Finalmente, envían un haz de rayos X a través de la muestra y unen la disposición de los átomos en el interior según la forma en que X-los rayos se esparcen por la muestra.
Cuando realizaron los experimentos por primera vez, Prakapenka vio lecturas de la estructura que eran muy diferentes de lo que esperaba. Pensó que algo había salido mal y que había habido una reacción química no deseada, que a menudo ocurre con el agua en tales experimentos ".Pero cuando apagué el láser y la muestra volvió a temperatura ambiente, el hielo volvió a su estado original ", dijo." Eso significa que fue un cambio estructural reversible, no una reacción química ".
Al observar la estructura del hielo, el equipo se dio cuenta de que tenía una nueva fase en sus manos. Pudieron mapear con precisión su estructura y propiedades.
"Imagina un cubo, una red con átomos de oxígeno en las esquinas conectados por hidrógeno", dijo Prakapenka. "Cuando se transforma en esta nueva fase superiónica, la red se expande, lo que permite que los átomos de hidrógeno migren mientras los átomos de oxígeno permanecen estables.en sus posiciones. Es como una red de oxígeno sólido en un océano de átomos de hidrógeno flotantes ".
Esto tiene consecuencias sobre cómo se comporta el hielo: se vuelve menos denso, pero significativamente más oscuro porque interactúa de manera diferente con la luz. Pero toda la gama de propiedades químicas y físicas del hielo superiónico aún no se ha explorado. "Es un nuevo estadode materia, por lo que básicamente actúa como un nuevo material, y puede ser diferente de lo que pensamos ", dijo Prakapenka.
Los hallazgos también fueron una sorpresa, porque si bien los científicos teóricos habían predicho esta fase, la mayoría de los modelos pensaron que no aparecería hasta que el agua se comprimiera a más de 50 gigapascales de presión aproximadamente las mismas condiciones dentro del combustible del cohete cuando detona.para el despegue. Pero estos experimentos fueron solo a 20 gigapascales. "A veces te dan sorpresas como esta", dijo Prakapenka.
Pero mapear las condiciones exactas donde ocurren las diferentes fases del hielo es importante para, entre otras cosas, comprender la formación de los planetas e incluso dónde buscar vida en otros planetas. Los científicos creen que existen condiciones similares en el interior de Neptuno y Urano, y otrosplanetas fríos y rocosos como ellos en otras partes del universo.
Las propiedades de estos hielos juegan un papel en los campos magnéticos de un planeta, que tienen un gran impacto en su capacidad para albergar vida: los poderosos campos magnéticos de la Tierra nos protegen de la radiación entrante dañina y los rayos cósmicos, mientras que las superficies de los planetas áridos Marte yEl mercurio está expuesto. Conocer las condiciones que afectan la formación del campo magnético puede guiar a los científicos en su búsqueda de estrellas y planetas en otros sistemas solares que puedan albergar vida.
Prakapenka dijo que hay muchos más ángulos para explorar, como la conductividad y la viscosidad, la estabilidad química, qué cambia cuando el agua se mezcla con sales u otros minerales, la forma en que lo hace a menudo en las profundidades de la superficie de la Tierra. "Esto debería estimular muchomás estudios ", dijo.
La difracción de rayos X sincrotrón se realizó en GeoSoilEnviroCARS, una línea de luz en la Fuente de Fotones Avanzada en el Laboratorio Nacional Argonne, y la espectroscopía óptica se realizó en el Carnegie Institution for Science. Los otros autores del artículo fueron Nicholas Holtgrewe de CARS y elCarnegie Institution de Washington, Sergey Lobanov de Carnegie Institution y el Centro Alemán de Investigación de Geociencias GFZ, y Alexander Goncharov de Carnegie Institution.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Argonne . Original escrito por Louise Lerner. Nota: el contenido puede editarse por estilo y longitud.
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