La presencia de 'hielo superiónico' en las condiciones extremas de Neptuno y Urano contribuye a entender las anomalÃas magnéticas detectadas en ambos gigantes de hielo, concluye un nuevo estudio.
El hielo cotidiano, como el que produce un frigorÃfico, es conocido por los cientÃficos como hielo hexagonal (hielo Ih), y no es la única fase cristalina del agua. Son posibles más de 20 fases diferentes.
En la fase cristalina superiónica, el agua pierde su identidad molecular (H2O): los iones negativos de oxÃgeno (O2-) cristalizan en una extensa red, y los protones en forma de iones positivos de hidrógeno (H+) forman un lÃquido que flota libremente dentro de la red de oxÃgeno.
"La situación puede compararse a la de un conductor metálico como el cobre, con la gran diferencia de que los iones positivos forman la red cristalina en el metal, y los electrones con carga negativa son libres de vagar por la red", explica Maurice de Koning, profesor del Instituto de FÃsica Gleb Wataghin de la Universidad Estatal de Campinas (IFGW-UNICAMP), en Barsil.
De Koning dirigió el estudio que dio lugar a un artÃculo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) y que aparece en la portada de su número del 8 de noviembre de 2022.
El hielo superiónico se forma a temperaturas extremadamente altas, del orden de los 5.000 Kelvin (4.700 °C) y a una presión de unos 340 gigapascales, o más de 3,3 millones de veces la presión atmosférica estándar de la Tierra, explicó. Por tanto, es imposible que exista hielo superiónico estable en nuestro planeta.
Sin embargo, sà puede existir en Neptuno y Urano. De hecho, los cientÃficos están seguros de que grandes cantidades de hielo XVIII acechan en las profundidades de sus mantos, gracias a la presión resultante de los enormes campos gravitatorios de estos gigantes, como confirman las lecturas sismográficas.
"La electricidad conducida por los protones a través de la red de oxÃgeno está estrechamente relacionada con la cuestión de por qué el eje del campo magnético no coincide con el eje de rotación en estos planetas. De hecho, están significativamente desalineados", dijo De Koning.
Las mediciones realizadas por la sonda espacial Voyager 2, que sobrevoló estos planetas lejanos en su viaje hacia el borde del Sistema Solar y más allá, muestran que los ejes de los campos magnéticos de Neptuno y Urano forman ángulos de 47 y 59 grados con sus respectivos ejes de rotación.
En la Tierra, un experimento del que se informó en Nature en 2019 logró producir una diminuta cantidad de hielo XVIII durante 1 nanosegundo (una milmillonésima parte de un segundo), tras lo cual el material se desintegró. Los investigadores utilizaron ondas de choque impulsadas por láser para comprimir y calentar agua lÃquida.
Según el artÃculo publicado en Nature, se dispararon seis rayos láser de alta potencia en una secuencia adaptada temporalmente para comprimir una fina capa de agua encapsulada entre dos superficies de diamante.
Las ondas de choque reverberaron entre los dos diamantes rÃgidos para lograr una compresión homogénea de la capa de agua que dio lugar a la fase cristalina superiónica durante un tiempo extremadamente breve.
"En este último estudio, no realizamos un experimento fÃsico real, sino que utilizamos simulaciones por ordenador para investigar las propiedades mecánicas del hielo XVIII y averiguar cómo influyen sus deformaciones en los fenómenos observados en Neptuno y Urano", explicó De Koning.
Un aspecto clave del estudio fue el despliegue de la teorÃa del funcional de la densidad (DFT), un método derivado de la mecánica cuántica y utilizado en la fÃsica del estado sólido para resolver estructuras cristalinas complejas. "En primer lugar, investigamos el comportamiento mecánico de una fase sin defectos, que no existe en el mundo real. Luego añadimos defectos para ver qué tipos de deformaciones macroscópicas se producÃan", explicó.
Los defectos cristalinos suelen ser defectos puntuales caracterizados por vacantes de iones o intrusión de iones de otros materiales en la red cristalina. En este caso no es asÃ. De Koning se referÃa a defectos lineales conocidos como "dislocaciones", que se deben a diferencias angulares entre capas adyacentes que producen arrugas similares a las de una alfombra arrugada.
"En fÃsica de cristales, la dislocación se postuló en 1934, pero se observó experimentalmente por primera vez en 1956. Es un tipo de defecto que explica un gran número de fenómenos. Decimos que la dislocación es a la metalurgia lo que el ADN a la genética", afirma De Koning.
En el caso del hielo superiónico, la suma de dislocaciones produce el cizallamiento, una deformación macroscópica familiar para mineralogistas, metalúrgicos e ingenieros. "En nuestro estudio calculamos, entre otras cosas, cuánto hay que forzar el cristal para que se rompa debido al cizallamiento", dijo De Konig.
Para ello, los investigadores tuvieron que considerar una célula relativamente grande del material, con unas 80.000 moléculas. Los cálculos implicaron técnicas computacionales extremadamente pesadas y sofisticadas, incluidas redes neuronales, aprendizaje automático y la composición de varias configuraciones basadas en DFT.
"Este fue un aspecto muy interesante del estudio, que integró conocimientos de metalurgia, planetologÃa, mecánica cuántica y computación de alto rendimiento", afirmó.
