El agua superiónica , también llamada hielo superiónico o hielo XVIII [1] es una fase del agua que existe a temperaturas y presiones extremadamente altas . En el agua superiónica, las moléculas de agua se rompen y los iones de oxígeno se cristalizan en una red uniformemente espaciada, mientras que los iones de hidrógeno flotan libremente dentro de la red de oxígeno. [2] Los iones de hidrógeno libremente móviles hacen que el agua superiónica sea casi tan conductora como los metales típicos, lo que la convierte en un conductor superiónico . [1] Es uno de los 18 cristalinos conocidosfases de hielo . El agua superiónica es distinta del agua iónica , que es un estado líquido hipotético caracterizado por una sopa desordenada de iones de hidrógeno y oxígeno.
Si bien se teorizó durante décadas, no fue hasta la década de 1990 que surgió la primera evidencia experimental del agua superiónica. La evidencia inicial provino de mediciones ópticas de agua calentada con láser en una celda de yunque de diamante, [3] y de mediciones ópticas de agua impactada por láseres extremadamente poderosos. [4] La primera evidencia definitiva de la estructura cristalina de la red de oxígeno en el agua superiónica provino de mediciones de rayos X en agua sometida a descargas láser que se informaron en 2019. [1]
Si estuviera presente en la superficie de la Tierra , el hielo superiónico se descomprimiría rápidamente . En mayo de 2019, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) pudieron sintetizar hielo superiónico, lo que confirmó que era casi cuatro veces más denso que el hielo normal. [5] Se teoriza que el agua superiónica está presente en los mantos de planetas gigantes como Urano y Neptuno. [6] [7]
Propiedades
Como de 2013[actualizar], se teoriza que el hielo superiónico puede poseer dos estructuras cristalinas. A presiones superiores a 50 GPa (7.300.000 psi) se predice que el hielo superiónico adquiriría una estructura cúbica centrada en el cuerpo . Sin embargo, a presiones superiores a 100 GPa (15.000.000 psi) se predice que la estructura cambiaría a una red cúbica centrada en las caras más estable . [8]
Historia de la evidencia teórica y experimental
Demontis y col. hizo la primera predicción para el agua superiónica usando simulaciones clásicas de dinámica molecular en 1988. [9] En 1999, Cavazzoni et al. predijo que tal estado existiría para el amoníaco y el agua en condiciones como las que existen en Urano y Neptuno . [10] En 2005, Laurence Fried dirigió un equipo en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore para recrear las condiciones formativas del agua superiónica. Usando una técnica que implica romper moléculas de agua entre diamantes y sobrecalentarlas con láseres , observaron cambios de frecuencia que indicaban que había tenido lugar una transición de fase . El equipo también creó modelos informáticos que indicaron que efectivamente habían creado agua superiónica. [7] En 2013, Hugh F. Wilson, Michael L. Wong y Burkhard Militzer de la Universidad de California, Berkeley, publicaron un artículo que predecía la estructura de celosía cúbica centrada en la cara que emergería a presiones más altas. [8]
Marius Millot y sus colegas encontraron evidencia experimental adicional en 2018 al inducir una alta presión en el agua entre diamantes y luego electrocutar el agua con un pulso láser. [4] [11]
Experimentos 2018-2019
En 2018, los investigadores de LLNL exprimieron agua entre dos piezas de diamante con una presión de 2.500 MPa (360.000 psi). El agua se comprimió en hielo tipo VII , que es un 60 por ciento más denso que el agua normal. [12]
El hielo comprimido fue luego transportado a la Universidad de Rochester, donde fue explotado por un pulso de luz láser. La reacción creó condiciones como las del interior de gigantes de hielo como Urano y Neptuno al calentar el hielo miles de grados bajo una presión un millón de veces mayor que la atmósfera terrestre en solo diez a 20 mil millonésimas de segundo. El experimento concluyó que la corriente en el agua conductora era transportada por iones en lugar de electrones y, por lo tanto, apuntaba a que el agua era superiónica. [12] Experimentos más recientes del mismo equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore utilizaron cristalografía de rayos X en gotas de agua impactadas con láser para determinar que los iones de oxígeno entran en una fase cúbica centrada en la cara, que se denominó hielo XVIII y se informó en la revista. Naturaleza en mayo de 2019. [1]
Existencia en gigantes de hielo
Se teoriza que los planetas gigantes de hielo Urano y Neptuno contienen una capa de agua superiónica. [13] Pero también hay estudios que sugieren que otros elementos presentes en el interior de estos planetas, particularmente el carbono , pueden prevenir la formación de agua superiónica. [14]
Referencias
- ^ a b c d Millot, Marius; Coppari, Federica; Rygg, J. Ryan; Correa Barrios, Antonio; Hamel, Sebastien; Swift, Damian C .; Eggert, Jon H. (8 de mayo de 2019). "Difracción de rayos X de nanosegundos de hielo de agua superiónica comprimido por choque" . Naturaleza . 569 (7755): 251-255. doi : 10.1038 / s41586-019-1114-6 . OSTI 1568026 . PMID 31068720 .
- ^ Agua extraña al acecho dentro de planetas gigantes , New Scientist, 01 de septiembre de 2010, Revista número 2776.
- ^ Goncharov, Alexander F .; et al. (2005). "Ionización dinámica del agua en condiciones extremas" (PDF) . Phys. Rev. Lett . 94 (12): 125508. doi : 10.1103 / PhysRevLett.94.125508 . PMID 15903935 .
- ^ a b Millot, Marius; et al. (5 de febrero de 2018). "Evidencia experimental de hielo de agua superiónica mediante compresión de choque" . Física de la naturaleza . 14 (3): 297-302. Código bibliográfico : 2018NatPh..14..297M . doi : 10.1038 / s41567-017-0017-4 . OSTI 1542614 .
- ^ Valich, Lindsey. " Forma ' exótica' de hielo tanto sólido como líquido" . Universidad de Rochester.
- ^ Chang, Kenneth (5 de febrero de 2018). "La forma recién descubierta de hielo de agua es 'realmente extraña' - Se teorizó durante mucho tiempo que se encontraría en los mantos de Urano y Neptuno, la confirmación de la existencia de hielo superiónico podría conducir al desarrollo de nuevos materiales" . The New York Times . Consultado el 5 de febrero de 2018 .
- ^ a b Marris, Emma (22 de marzo de 2005). "Los planetas gigantes pueden albergar agua superiónica". Naturaleza . doi : 10.1038 / news050321-4 .
- ^ a b Phys.org, "La nueva fase del agua podría dominar los interiores de Urano y Neptuno" , Lisa Zyga, 25 de abril de 2013
- ^ Demontis, P .; et al. (1988). "Nuevas fases de hielo a alta presión" (PDF) . Phys. Rev. Lett . 60 (22): 2284–2287. doi : 10.1103 / PhysRevLett.60.2284 . PMID 10038311 .
- ^ Cavazzoni, C .; et al. (1999). "Estados superiónicos y metálicos del agua y el amoníaco en condiciones de planeta gigante". Ciencia . 283 (5398): 44–46. Código Bibliográfico : 1999Sci ... 283 ... 44C . doi : 10.1126 / science.283.5398.44 . PMID 9872734 . S2CID 11938710 .
- ^ Sokol, Joshua (12 de mayo de 2019). "Puede existir una extraña forma de agua en todo el universo" . Cableado . ISSN 1059-1028 . Consultado el 13 de mayo de 2019 .
- ^ a b Chang, Kenneth (5 de febrero de 2018). "La nueva forma de agua, tanto líquida como sólida, es 'realmente extraña ' " . The New York Times . ISSN 0362-4331 . Consultado el 13 de febrero de 2018 .
- ^ Charlie Osolin. "Oficina de asuntos públicos: recreando el extraño estado del agua que se encuentra en planetas gigantes" . Llnl.gov . Consultado el 24 de diciembre de 2010 .
- ^ Chau, Ricky; Hamel, Sebastien; Nellis, William J. (2011). "Procesos químicos en el interior profundo de Urano" . Nat. Comun. 2 . Número de artículo: 203. doi : 10.1038 / ncomms1198 . PMID 21343921 .