En el año 1988, una primitiva simulación por computación realizada por Pierfranco Demontis, predijo que cuando se somete a presiones y temperaturas extremas, el agua pasaría a un estado exótico de materia caracterizado por la coexistencia de una red sólida de oxígeno y átomos de hidrógeno en estado líquido, el llamado hielo superiónico.
Ahora, para confirmar la existencia de esta exótica forma del agua, científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) utilizaron láseres gigantes para congelar rápidamente el agua en su fase superiónica y registrar los patrones de difracción de rayos X, yi de esta manera identificar su estructura atómica por primera vez.
Limbo surrealista
El hielo superiónico es un cristal realmente excepcional. Todos los hielos de agua conocidos anteriormente están hechos de moléculas de agua intactas, cada una con un átomo de oxígeno unido a dos hidrógenos. Pero el hielo superiónico, según confirman las nuevas mediciones, no es así.
Existe en una especie de limbo surrealista, en parte sólido, en parte líquido. Las moléculas individuales de agua se rompen, y los átomos de oxígeno forman una red cúbica, pero los átomos de hidrógeno se liberan y fluyen como un líquido a través de la rígida jaula de oxígenos.
Para crear el hielo superiónico, los investigadores del LLNL realizaron una serie de experimentos en la planta de láser Omega en el Laboratorio de Energética Láser de la Universidad de Rochester.
A tal fin, utilizaron seis rayos láser gigantes para generar una secuencia de ondas de choque de intensidad progresivamente creciente para comprimir una capa delgada de agua inicialmente líquida a presiones extremas (100-400 gigapascales, o 1-4 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra) y temperaturas entre 1.600 y 2.800 grados Celsius.
Para documentar la cristalización e identificar la estructura atómica, el equipo lanzó una pequeña lámina de hierro con 16 pulsos de láser adicionales para crear un plasma caliente, que generó un destello de rayos X sincronizados con precisión para iluminar la muestra de agua comprimida una vez que se introdujo en la estabilidad prevista. Todo el experimento se realizó en unas mil millonésimas de segundo.
Abundante en el Universo
A diferencia del hielo que se encuentra en el congelador o en el polo norte, el hielo superiónico es negro y caliente. Un cubo de eso pesaría cuatro veces más que pesaría uno normal, y aunque nunca se ha visto hasta ahora, los científicos creen que podría estar entre las formas de agua más abundantes en el Universo.
La consecución del hielo superiónico ofrece nuevas perspectivas de cómo los gigantes de hielo como Neptuno y Urano tienen campos magnéticos tan particulares, inclinados en ángulos extraños y con ecuadores que no rodean el planeta.
Anteriormente, se pensaba que estos planetas tenían un océano fluido de agua iónica y amoníaco en lugar de un manto.
Pero la investigación del equipo muestra que estos planetas podrían tener un manto sólido, como la Tierra, pero hechos de hielo superiónico, en lugar de roca caliente. Debido a que el hielo superiónico es altamente conductor de electricidad, esto podría estar influyendo en los campos magnéticos de estos planetas.
Si bien es probable que otros planetas y lunas en el Sistema Solar no cuenten con las condiciones adecuadas para permitir la formación de hielo superiónico, la existencia de muchos exoplanetas de hielo, similares a Urano y Neptuno, sugiere que el hielo superiónico podría ser frecuente en los mundos helados de toda la galaxia y probablemente la forma más común de agua en el Universo.
Referencia: Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice. Nature, 2019. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1114-6