El agua superiónica podría explicar los campos magnéticos de los gigantes de hielo

El agua superiónica —la forma de hielo caliente, negra y extrañamente conductora que existe en el centro de planetas distantes— se predijo en la década de 1980 y se recreó por primera vez en un laboratorio en 2018. Con cada observación más detallada, sigue sorprendiendo a los investigadores.

En un estudio reciente publicado en Nature Communications, un equipo que incluye investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía ha hecho un descubrimiento sorprendente: múltiples estructuras de empaquetamiento atómico pueden coexistir en condiciones idénticas en el agua superiónica.

¿Qué es el agua superiónica?
Cuando la sonda espacial Voyager 2 sobrevoló Neptuno y Urano a finales de la década de 1980, los científicos quedaron desconcertados por lo que observaron. A diferencia de los campos magnéticos dipolares, ordenados y alineados rotacionalmente que se encuentran en la Tierra y otros planetas de nuestro sistema solar, estos gigantes de hielo tenían campos magnéticos más irregulares y complejos, con múltiples polos que no se alineaban perfectamente con los ejes de rotación de los planetas.

La explicación de este caos magnético, según creen ahora los científicos, se encuentra cerca del centro de estos planetas distantes. Donde la Tierra tiene hierro fundido agitándose en su núcleo externo, Neptuno y Urano tienen agua superiónica, un tipo de hielo que solo existe bajo las temperaturas y presiones extremas que se encuentran en las profundidades de los planetas helados gigantes.

En este exótico estado del agua, los átomos de oxígeno se apilan en una red cristalina rígida, mientras que los iones de hidrógeno fluyen libremente a través de la estructura reticular y conducen la electricidad, comportándose más como electrones que como iones de hidrógeno típicos. Esta extraña conductividad podría ser la razón de los peculiares campos magnéticos de los planetas, y durante años, los investigadores han intentado comprender mejor su inusual estructura y comportamiento.

Mapeo de las fases del agua
Este equipo de investigación se propuso investigar el diagrama de fases del agua superiónica. Los diagramas de fases representan las temperaturas y presiones a las que las sustancias cambian de estado. El agua a nivel del mar, por ejemplo, hierve a 100 grados Celsius, pero al ajustar la presión, el punto de ebullición cambia en consecuencia. Un diagrama de fases del agua resume todas esas variables en un gráfico simple.

En lugar de mapear las transiciones sólido-líquido-gas, este equipo de investigación quería trazar los límites entre las diferentes estructuras cristalinas dentro del agua superiónica, específicamente, cómo los átomos de oxígeno se organizan en diversos patrones.

Como ocurre con cualquier transición de fase, las moléculas se reorganizan en la configuración termodinámicamente más eficiente a medida que cambian las condiciones. Este experimento pretendía identificar en qué condiciones el agua superiónica se reorganizaría desde una estructura de empaquetamiento cúbico centrado en el cuerpo (BCC), donde las moléculas de oxígeno se empaquetan con una eficiencia del 68 %, a estructuras aún más compactas, como la cúbica centrada en las caras (FCC) o la hexagonal compacta (HCP), cada una con una eficiencia del 74 %.

«La estructura única del agua superiónica probablemente da lugar a sus propiedades conductoras, que a su vez influyen en los campos magnéticos a escala planetaria, por lo que comprender y medir estas estructuras de empaquetamiento a escala atómica es clave para comprender esta dinámica», afirmó Arianna Gleason, científica sénior del SLAC, subdirectora de la división de Ciencias de la Densidad de Alta Energía del SLAC y autora del estudio.

Con docenas de modelos teóricos en competencia y algunos resultados contradictorios de experimentos anteriores, el equipo esperaba que los avances recientes en tecnologías experimentales les permitieran establecer límites claros entre estas estructuras de empaquetamiento.

Replicando las condiciones de planetas gigantes de hielo

Primero, el equipo tuvo que diseñar un experimento que les permitiera crear y estudiar agua superiónica en un laboratorio.

«Estos estudios son increíblemente desafiantes», afirmó Nick Hartley, científico asociado del SLAC y autor del estudio. «No solo hay que llevar el agua a estas presiones y temperaturas extremas, sino que también hay que hacerlo en el vacío y tomar medidas con una rapidez increíble, antes de que todo comience a desmoronarse».

Los investigadores utilizaron el instrumento Materia en Condiciones Extremas (MEC) del SLAC, junto con rayos X ultrarrápidos de la Fuente de Luz Coherente Linac, un láser de electrones libres de rayos X (XFEL). Posteriormente, replicaron el experimento en el XFEL europeo utilizando el instrumento científico de Alta Densidad de Energía.

Cada experimento utilizó choques impulsados ​​por láser que reverberaron a través de muestras de agua, creando presiones progresivamente más altas, mientras que se utilizaron láseres potentes para crear las condiciones de temperatura que se encuentran dentro de estos planetas. Este enfoque permitió a los investigadores replicar las condiciones presentes en las profundidades de los planetas gigantes helados. Mediante difracción de rayos X, el equipo rastreó las estructuras de empaquetamiento cristalino del material en distintos rangos de temperatura, presión y tiempo.

«Lograr condiciones superiónicas y recopilar datos de difracción de alta resolución fue clave para este experimento», afirmó Alessandra Ravasio, investigadora principal del Laboratorio para el Uso de Láseres Intensos del Centro Nacional Francés de Investigación Científica y autora del estudio. «Juntos, nos permitieron resolver detalles sutiles en el origen de un comportamiento rico y complejo».

Desdibujando las fronteras
Cuando llegaron los datos, los investigadores se sorprendieron al observar indicios claros de diferentes estructuras de empaquetamiento que coexistían en condiciones uniformes. En ciertas condiciones, observaron con frecuencia la coexistencia de estructuras BCC y FCC. En otras condiciones, observaron un empaquetamiento múltiple aún más peculiar de estructuras FCC y HCP. A diferencia de las claras transiciones de fase observadas en prácticamente todos los demás materiales conocidos, el agua superiónica parecía exhibir una mezcla de estructuras de empaquetamiento en todo el compuesto a la vez.

«Buscábamos líneas nítidas y claras que observamos en otros lugares de la naturaleza», dijo Hartley. «En cambio, encontramos estos límites difusos, con múltiples estructuras de empaquetamiento superpuestas».

«Tras el primer experimento en el LCLS, quedamos tan desconcertados por los resultados que replicamos el estudio en otro XFEL para descartar posibles fuentes de error», afirmó Dominik Kraus, profesor de la Universidad de Rostock y líder de grupo en el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, y autor del estudio. «Y, de hecho, los experimentos posteriores en el XFEL europeo mostraron los mismos resultados».

No está claro por qué el agua superiónica exhibe esta extraña característica, pero dado que la rígida red de oxígeno y los átomos de hidrógeno que fluyen libremente confieren al material su propiedad conductora, los detalles de estas estructuras de empaquetamiento tienen profundas implicaciones a escala planetaria, e incluso cósmica.

«Aunque los gigantes de hielo constituyen la minoría de los planetas de nuestro sistema solar (solo dos de ocho), representan una fracción significativa de los planetas en nuestro universo observable», explicó Hartley. «Sus campos magnéticos, que surgen de detalles minúsculos de la composición del planeta, pueden revelarnos mucho sobre su formación y evolución, así como sobre la evolución de nuestro universo».

El equipo incorporará estos hallazgos en simulaciones por computadora para comprender mejor el fenómeno. En el futuro, los investigadores quieren estudiar la conductividad eléctrica de las estructuras de empaquetamiento del agua superiónica de forma más directa y explorar cómo diferentes composiciones químicas, como el agua mezclada con otros compuestos probablemente presentes en el interior de los planetas, podrían afectar el comportamiento del material.

Con información de Nature