Confirmado un Nuevo Estado de la Materia

Por Dra. Inés Urdaneta / Investigadora de Resonance Science Foundation 

Estamos familiarizados con los cuatro estados de la materia reconocidos hasta ahora: sólido, líquido, gas y plasma (gas ionizado). ¿Quién habría imaginado un quinto estado de la materia, que contenga simultáneamente dos estados? Dentro de la diversidad de formas de cristalización o fases del agua, desde el líquido hasta el hielo sólido (más de diecisiete estructuras de hielo cristalinas y varias amorfas), ha aparecido una nueva: el cristal de oxígeno iónico, con hidrógeno iónico (principalmente protones) moviéndose en su interior, como un fluido. Se ha denominado hielo XVIII, y es tanto una nueva fase del agua (porque depende de la temperatura y la presión aplicadas) como un nuevo estado de la materia (porque reúne tanto un sólido como un fluido).

Los cristales están formados por átomos ionizados llamados iones, de manera que las fuerzas electrostáticas entre iones positivos (cationes) e iones negativos (aniones) mantienen la red sólida. Un átomo ionizado o ión, es un átomo que ha ganado o perdido un electrón. Los iones sienten atracción o repulsion electroestática (es decir, fuerza de atracción o de repulsión) con otros iones, dependiendo de sus cargas. Por ejemplo, el cristal de sal común está compuesto de aniones de Cloro (Cl-) y cationes de Sodio (Na+), y está en estado sólido a temperatura ambiente.  

^{Un átomo es neutro en su estado natural. Cuando el átomo pierde o gana una unidad de carga negativa -electrón-, el átomo queda cargado positicamente (ión positivo llamado catión), o negativamente (ion negativo llamado anión). Imagen por Inés Urdaneta, para Resonance Science Foundation.} 

El cristal superiónico de agua, sintetizado recientemente, requiere una presión y temperatura extremadamente altas para formarse, ya que primero tiene que ionizar sus átomos, rompiendo las moléculas de agua para hacer que los átomos de Hidrógeno y de Oxígeno de las moléculas de agua queden ionizados.

En todas las demás formas de cristalización del agua helada, las moléculas permanecen; el hielo se forma precisamente por las bajas temperaturas que congelan el sistema. Pero en estos experimentos superiónicos, la alta temperatura (por encima de 2000 kelvin) ioniza las moléculas de agua, y la alta presión (por encima de 100 gigapascales) densifica el sistema.

Uno se pregunta qué escenario natural podría albergar semejante extravagancia. Aparentemente, un escenario perfecto para ello se encuentra en gigantes de hielo como Urano y Neptuno, que están compuestos principalmente por agua helada (al menos un 65%). De hecho, el hielo superiónico a presión y temperatura extremas es relevante como explicación de su núcleo, donde se esperan tales condiciones extremas. Sus núcleos deben tener una particularidad, dados los exóticos campos magnéticos que emanan de estos Gigantes de Hielo, en comparación con los restantes planetas del sistema solar que tienen un campo magnético bastante alineado con el eje de rotación y con una forma más simple, que sugiere una región fluida conductora en el núcleo que se arremolina, permitiendo la emanación de campos magnéticos masivos.

^{Los gigantes de Hielo, Urano a la izquierda y Neptuno a la derecha.}

Los campos magnéticos de Neptuno y Urano se comportan de forma diferente, lo que podría explicarse si el fluido conductor responsable del "efecto dínamo" estuviera confinado en una fina capa exterior del planeta, en lugar de dejar que llegue hasta el núcleo. El exótico comportamiento del campo magnético podría explicarse con este nuevo estado de la materia.

"Esto sugería que el hielo superiónico conduciría la electricidad, como un metal, con los hidrógenos desempeñando el papel habitual de los electrones. A diferencia del hielo familiar que se encuentra en el congelador o en el polo norte, el hielo superiónico es negro y caliente. Un cubo de él pesaría cuatro veces más que uno normal". Quanta Magazine

Por otra parte, estamos acostumbrados a entender la conductividad de las partículas elementales cargadas, como los electrones, que componen la corriente electrónica. ¿Quién habría imaginado una corriente de protones, que no se consideran partículas elementales debido a su estructura interna adicional? Aunque este comportamiento exótico del agua se esperaba a partir de simulaciones numéricas hace más de treinta años, el hecho de observarlo por primera vez es impresionante, sobre todo si se tiene en cuenta la cantidad de aproximaciones implicadas en el modelo, ya que la complejidad del sistema impedía realizar cálculos químicos cuánticos exactos.

Los autores de este trabajo publicado en Nature resumen la experiencia:

"Resulta especialmente intrigante la predicción de que el H₂O se vuelve superiónico -con protones de aspecto líquido que se difunden a través del entramado sólido del oxígeno- cuando se somete a presiones extremas y altas temperaturas. Las simulaciones numéricas sugieren que la difusión característica de los protones a través de los sitios vacíos de la red sólida de oxígeno (1) da lugar a una conductividad iónica sorprendentemente alta por encima de los 100 Siemens por centímetro, es decir, casi tan alta como la típica conductividad metálica (electrónica), (2) aumenta en gran medida la temperatura de fusión del hielo hasta varios miles de kelvin, y (3) favorece nuevas estructuras de hielo con una red de oxígeno muy compacta.”

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