El hielo superiónico contribuye a la comprensión de las anomalías magnéticas de Urano y Neptuno
Por FAPESP
23 de enero de 2023.
Imagen de simulación de hielo XVIII. Los iones de oxígeno (rojo) ocupan una red cristalina regular, mientras que los protones (blanco) se difunden como un líquido. Crédito: Maurice de Koning y Filipe Matusalén.
El hielo común de todos los días, como el hielo producido por un refrigerador, es conocido por los científicos como hielo hexagonal (hielo Ih), y no es la única fase cristalina del agua. Son posibles más de 20 fases diferentes. Uno de ellos, llamado "hielo superiónico" o "hielo XVIII", es de particular interés, entre otras razones, porque se cree que constituye una gran parte de Neptuno y Urano, planetas a los que se suele denominar "gigantes de hielo".
En la fase cristalina superiónica, el agua pierde su identidad molecular (H2O): los iones negativos de oxígeno (O2-) cristalizan en una extensa red, y los protones en forma de iones positivos de hidrógeno (H+) forman un líquido que flota libremente dentro de la red de oxígeno.
"La situación se puede comparar con 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 que tienen una carga negativa pueden moverse libremente por la red", dijo Maurice de Koning, un profesor del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad Estadual de Campinas (IFGW-UNICAMP) en el estado de São Paulo, Brasil.
De Koning dirigió el estudio que resultó en un artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) y que apareció en la portada de su edición del 8 de noviembre de 2022.
El hielo superiónico se forma a temperaturas extremadamente altas en el rango de 5.000 Kelvin (4.700 °C) y una presión de alrededor de 340 gigapascales, o más de 3,3 millones de veces la presión atmosférica estándar de la Tierra, explicó. Por lo tanto, es imposible que exista hielo superiónico estable en nuestro planeta.
Sin embargo, puede existir en Neptuno y Urano. De hecho, los científicos confían en que grandes cantidades de hielo XVIII se esconden en las profundidades de sus mantos, gracias a la presión resultante de los enormes campos gravitatorios de estos gigantes, como lo confirman las lecturas sismográficas.
"La electricidad conducida por los protones a través de la red de oxígeno se relaciona estrechamente con la pregunta 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 distantes planetas 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 grados y 59 grados con su respectiva rotación.
En la Tierra, un experimento publicado en Nature en 2019 logró producir una pequeña cantidad de hielo XVIII durante 1 nanosegundo (una milmillonésima de segundo), después de lo cual el material se desintegró. Los investigadores utilizaron ondas de choque impulsadas por láser para comprimir y calentar agua líquida.
Según el artículo de 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 resonaron entre los dos diamantes rígidos para lograr una compresión homogénea de la capa de agua que resultó en la fase cristalina superiónica durante un tiempo extremadamente corto.
"En este último estudio, no realizamos un experimento físico real, sino que usamos simulaciones por computadora para investigar las propiedades mecánicas del hielo XVIII y descubrir cómo sus deformaciones influyen en los fenómenos que ocurren en Neptuno y Urano", dijo De Koning.
Un aspecto clave del estudio fue el despliegue de la teoría funcional de la densidad (DFT), un método derivado de la mecánica cuántica y utilizado en la física del estado sólido para resolver estructuras cristalinas complejas. "En primer lugar, investigamos el comportamiento mecánico de una fase perfecta, que no existe en el mundo real. Luego agregamos defectos para ver qué tipo de deformaciones macroscópicas resultaron", explicó.
Los defectos de los cristales suelen ser defectos puntuales caracterizados por vacantes de iones o la intrusión de iones de otros materiales en la red cristalina. No tanto en este caso. De Koning se refería a los defectos lineales conocidos como "dislocaciones", que se deben a las diferencias angulares entre las capas adyacentes que dan como resultado que se arruguen como una alfombra arrugada.
"En la física de los cristales, la dislocación se postuló en 1934, pero se observó experimentalmente por primera vez en 1956. Es un tipo de defecto que explica muchos fenómenos. Decimos que la dislocación es para la metalurgia lo que el ADN es para la genética", dijo De Koning.
En el caso del hielo superiónico, la suma de dislocaciones produce cizallamiento, una deformación macroscópica familiar para mineralogistas, metalúrgicos e ingenieros. "En nuestro estudio, calculamos, entre otras cosas, cuánto es necesario forzar el cristal para que se rompa debido al corte", dijo De Konig.
Con este fin, los investigadores tuvieron que considerar una celda 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, integrando conocimientos en metalurgia, planetología, mecánica cuántica y computación de alto rendimiento", dijo.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-01-superionic-ice-contributes-magnetic-anomalies.html