Observan en la Tierra una extraña forma de hielo superiónico

De los mares de la Antártida a las profundidades de tu congelador, la mayor parte del hielo de la Tierra es relativamente anodino. Pero en el sistema solar y más allá, las temperaturas y presiones extremas pueden convertir esta sustancia congelada en variedades cada vez más raras.

Ahora, un equipo de investigadores ha obtenido imágenes por rayos X de lo que quizá sea un nuevo integrante de la diversidad del hielo: un material con alta conducción eléctrica conocido como hielo superiónico. Según informa el equipo en la revista Nature, este hielo existe en presiones entre una y cuatro millones de veces superiores que al nivel del mar y temperaturas la mitad de cálidas que las de la superficie solar.

«Sí, estamos hablando de hielo», afirma Marius Millot, líder del estudio y físico del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California. «Pero la muestra está a varios miles de grados».

Se cree que dichas condiciones —normalmente inalcanzables en la Tierra— estarían presentes en las profundidades de los gigantes Urano y Neptuno, lo que quizá explicaría aspectos del funcionamiento de estos planetas distantes como los orígenes de sus insólitos campos magnéticos.

Hielo XVIII

Los científicos ya conocen 17 variedades de hielo cristalino. Hace más de 30 años, los físicos predijeron que la presión aplastante debería convertir el agua en formas superiónicas.

Los materiales superiónicos son bestias duales, parte sólidas y parte líquidas, que a nivel microscópico constan de un entramado cristalino permeado por núcleos atómicos que flotan libremente y que portan carga eléctrica. En el agua, los átomos de oxígeno se convertirían en cristal solidificado, mientras que los protones de hidrógeno pasarían a su alrededor como un líquido.

«Es un estado de la materia bastante exótico», afirma Federica Coppari, coautora del Laboratorio Livermore.

El año pasado, Millot, Coppari y sus colegas descubrieron las primeras pruebas de hielo superiónico empleando yunques de diamante y ondas de choque inducidas por láser para comprimir el agua líquida hasta que se convirtió en hielo superiónico sólido durante unas milmillonésimas de segundo. Las mediciones del equipo demostraron que el hielo de agua tuvo brevemente más conductividad eléctrica que antes, un indicio de que se había vuelto superiónico.

En sus últimos análisis, los investigadores emplearon seis rayos láser gigantes para generar una secuencia de ondas de choque que aplastaron una fina capa de agua líquida y la convirtieron en hielo solidificado a una presión millones de veces superior a la de la superficie terrestre y una temperatura de entre 1.600 y 2.760 grados Celsius. Los destellos de rayos X sincronizados de forma precisa sondearon la configuración, que de nuevo solo duró unas milmillonésimas de segundo, y revelaron que los átomos de oxígeno habían adoptado una forma cristalina.

Se observó que el oxígeno estaba apretujado en cubos, unas cajitas con un átomo en cada esquina y uno en el medio de cada cara. Según Coppari, es la primera vez en la que se ha observado el hielo de agua adoptando esta disposición. El equipo ha propuesto llamar esta nueva formación Hielo XVIII.

Roberto Car, físico de la Universidad de Princeton que no participó en la investigación, afirma que, aunque se produjo cierto solapamiento en las condiciones entre los dos experimentos del equipo, se necesitarán más investigaciones para demostrar de forma definitiva que el hielo es supersónico. Con todo, cree que el estudio es una importante ilustración de la variabilidad del agua.

«El hecho de que la materia pueda disponerse en una variedad de formas tan amplia resulta asombroso», afirma.

Misterios magnéticos

Los resultados del equipo ya sirven para informar modelos de Urano y Neptuno. Estos enormes mundos, denominados gigantes gaseosos, son un 65 por ciento agua, además de amoníaco y metano, que forma capas similares a la superficie, manto y núcleo terrestres.

Los nuevos experimentos indican que Urano y Neptuno deberían tener una capa de hielo superiónico que actúe como el manto de nuestro planeta, que está compuesto de roca sólida que sigue fluyendo a escalas geológicas larguísimas. Y esto podría contribuir a explicar por qué tienen campos magnéticos tan insólitos.

Se cree que los campos magnéticos de la Tierra, Júpiter y Saturno serían el producto de las dínamos internas de sus núcleos. Los campos de estos planetas están bastante alineados con sus ejes, como si procedieran de barras magnéticas que sobresalen de los centros de los planetas.

En cambio, el campo magnético de Neptuno parece proceder de una barra magnética interna que se ha desplazado a un lado y cuyos extremos emergen en lugares a medio camino del ecuador. El de Urano es aún más raro, como una barra magnética a la que le han dado la vuelta, lo que significa que el sur magnético sobresale del hemisferio norte del planeta. Se sospecha que los campos magnéticos de ambos gigantes helados son inestables.

Millot ha sugerido que podría existir una capa líquida en el límite superior de la capa de hielo superiónico de Urano y Neptuno, pero esta también es una fase del agua con alta conductividad eléctrica. Los campos magnéticos de los planetas podrían surgir ahí, mucho más cerca de la superficie que los campos magnéticos de otros mundos, lo que quizá explicaría sus rasgos inestables. Y como los astrónomos han descubierto muchos exoplanetas del tamaño de Neptuno y Urano, los hallazgos podrían aplicarse a partes más lejanas del cosmos.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.