Investigadores de la Universidad de Nevada, Las Vegas (UNLV, Estados Unidos), han demostrado que el agua no se comporta como se esperaba cuando se somete a presiones extremadamente altas. En lugar de adoptar una estructura atómica más ordenada y simétrica, se vuelve más asimétrica. El hallazgo, publicado en la revista Communications Chemistry, ofrece nuevas claves sobre cómo podría ser este elemento en el interior de los gigantes de hielo del Sistema Solar, como Urano y Neptuno.
El agua, en condiciones terrestres, es familiar: líquida, sólida o gaseosa. Sin embargo, bajo las condiciones intensas de otros planetas puede alterar su estructura atómica, su aspecto y sus propiedades. El equipo liderado por el físico Ashkan Salamat, director del Nevada Extreme Conditions Laboratory de la UNLV, comprobó que, a medida que aumenta la presión, el agua sólida se transforma en una versión de menor simetría.
“En condiciones distintas a las terrestres tiene un comportamiento más complejo de lo que jamás habíamos imaginado. Resulta asombroso cómo puede comportarse el agua bajo presión”, afirma Salamat.
La intuición y la experiencia con muchos materiales sugieren que, al comprimir una sustancia, su volumen se reduce y los átomos se acercan, favoreciendo disposiciones más simétricas y ordenadas. Con el agua no ocurre así. El estudio muestra que, a partir de unos 222 gigapascales (GPa) —equivalente a unos 32-35 millones de libras por pulgada cuadrada (PSI)—, el hielo pierde la simetría cúbica que caracteriza a la fase conocida como hielo-X.
Como referencia, la presión de un neumático de coche es de unos 30 PSI. La presión alcanzada en el laboratorio es más de un millón de veces superior y se aproxima a las que se estiman en las capas ricas en agua del interior de Urano y Neptuno. Estos planetas, conocidos como gigantes de hielo, están formados en gran parte por mezclas densas y calientes de agua, amoníaco y metano en estados que pueden ser “metálicos” o superiónicos.
EL EXPERIMENTO
Los científicos comprimieron pequeñas muestras de agua entre dos diamantes (la sustancia natural más dura conocida) en una celda de yunque de diamante. De esta forma generaron presiones extraordinarias. Después emplearon espectroscopia y difracción de rayos X para observar la disposición de los átomos.
A partir de unos 78 GPa la estructura coincidía con el hielo-X cúbico. Al superar los 222 GPa (±12 GPa) apareció una segunda señal en los patrones de difracción; a unos 230 GPa el pico se dividió claramente, lo que indica la pérdida de la simetría cúbica. El agua adopta entonces una forma más “deformada” o alargada. Si la presión se liberara, es probable que volviera a reorganizarse en una estructura conocida en la Tierra.
El experimento se realizó a temperatura ambiente, lejos de los miles de grados que reinan en el interior de Urano y Neptuno. Los autores advierten de esta limitación: la fase de menor simetría observada podría no ser estable a las altas temperaturas planetarias. Aun así, el resultado impone restricciones útiles a los modelos teóricos y confirma predicciones previas de simulaciones que hasta ahora no se habían observado en laboratorio.
“No podemos adentrarnos en las cortezas ni en las atmósferas de estos planetas debido a la distancia, pero disponemos de datos del programa Voyager. Tenemos una idea de su composición, así como de la presión y de las temperaturas internas. En algunos laboratorios podemos imitar los procesos químicos y experimentar con lo que podría estar ocurriendo en el interior de estos mundos”, explica Salamat.
Comprender cómo cambia la estructura del agua bajo presión extrema es clave para interpretar datos de gravedad, campos magnéticos, densidad y conductividad térmica de estos planetas. Una estructura diferente podría influir en las reacciones químicas posibles e incluso en la formación de compuestos no observados en la Tierra.
