El agua superiónica podría ser clave en los campos magnéticos de planetas gigantes

Cuando el agua se expone a temperaturas de miles de grados Celsius y presiones que alcanzan millones de atmósferas, experimenta una transformación notable. En estas condiciones extremas, el agua entra en un estado raro conocido como agua superiónica. En esta forma, los átomos de oxígeno se organizan en un marco sólido rígido, mientras que los iones de hidrógeno se mueven libremente a través de la estructura, generando un comportamiento diferente al del hielo o el agua líquida convencional.

Esta fase inusual del agua conduce la electricidad de manera excepcional, lo que la convierte en una fuerte candidata para explicar los extraños campos magnéticos observados alrededor de los planetas gigantes de hielo. Se cree que Urano y Neptuno contienen grandes cantidades de agua en sus interiores, lo que sugiere que el agua superiónica podría ser la forma dominante de agua en gran parte del sistema solar.

Misterio de la estructura del agua superiónica

Los científicos han logrado crear agua superiónica en experimentos de laboratorio anteriormente, pero su estructura interna había permanecido poco comprendida. Investigaciones previas propusieron que los átomos de oxígeno podrían organizarse en uno de dos patrones cúbicos simples. Estos incluían una disposición cúbica centrada en el cuerpo, donde un átomo adicional se sitúa en el centro del cubo, o una disposición cúbica centrada en la cara, donde los átomos ocupan los centros de cada cara.

El nuevo estudio revela que la realidad es mucho más complicada. En lugar de formar un único patrón ordenado, los átomos de oxígeno se ensamblan en una estructura mixta que combina regiones cúbicas centradas en la cara con capas empaquetadas hexagonalmente. En las regiones hexagonales, los átomos se apilan de manera compacta en patrones hexagonales repetidos. Cuando estas regiones se fusionan con secciones cúbicas, el resultado es un desorden estructural generalizado. En lugar de una red limpia y repetitiva, los átomos forman una secuencia híbrida e irregular que solo puede detectarse utilizando técnicas de medición extremadamente precisas, facilitadas por potentes láseres de rayos X.

Recreando extremos planetarios en el laboratorio

Para descubrir estos detalles, los investigadores llevaron a cabo dos experimentos separados. Uno se realizó en el instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) en los Estados Unidos, y el otro tuvo lugar en el instrumento HED-HIBEF en el European XFEL. Estas instalaciones potentes permitieron a los científicos comprimir agua a presiones superiores a 1.5 millones de atmósferas y calentarla a varios miles de grados Celsius, todo mientras capturaban instantáneas de su estructura atómica en billonésimas de segundo.

Los hallazgos se alinearon estrechamente con las simulaciones por computadora más avanzadas y mostraron que el agua superiónica puede adoptar múltiples formas estructurales, similar al hielo ordinario, que se sabe que existe en muchas fases cristalinas diferentes dependiendo de la temperatura y la presión. Este trabajo refuerza la idea de que el agua, a pesar de su aparente simplicidad, continúa revelando comportamientos inesperados y notables bajo condiciones extremas. Estos resultados también ayudan a refinar los modelos de la estructura interna y la evolución a largo plazo de los planetas gigantes de hielo, que se piensa que son comunes en todo el universo.

*El agua superiónica es un estado inusual del agua que se forma bajo presiones y temperaturas extremadamente altas, muy por encima de las que se encuentran en la superficie de la Tierra. En esta fase, el agua se comporta como un sólido, pero los iones de hidrógeno pueden moverse libremente a través de una red rígida de átomos de oxígeno. Esta combinación única le otorga al agua superiónica la capacidad de conducir electricidad. Los científicos creen que existe en el interior de grandes planetas, donde tales condiciones extremas ocurren de forma natural.

La investigación fue apoyada a través de una iniciativa conjunta entre la Fundación Alemana de Investigación (DFG) y la agencia de financiamiento de investigación francesa ANR. Más de 60 científicos de Europa y Estados Unidos contribuyeron a los experimentos y análisis.

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