agua superiónica: Un equipo de investigación descifra la estructura del agua exótica
En condiciones extremas, el agua presenta propiedades sorprendentes. Los investigadores ahora han aclarado la estructura cristalina del agua superiónica, lo que tiene consecuencias para la comprensión de los gigantes de hielo Neptuno y Urano.
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Ya sea sólida, líquida o gaseosa, el agua es común en la Tierra. Pero bajo presión extrema y alta temperatura puede transformarse en un extraño agua superiónica eléctricamente conductora.
El agua es el líquido más importante de la tierra: sin agua no habría vida. Y al mismo tiempo, el agua es una de las sustancias más misteriosas del universo. En su forma sólida, como el hielo, puede tener diferentes estructuras cristalinas dependiendo de la presión, la temperatura y las condiciones de formación, algunas de las cuales hasta ahora sólo podían predecirse teóricamente, pero no podían crearse experimentalmente en el laboratorio. Ahora, un equipo de investigación internacional dirigido por científicos de la Universidad de Rostock, el CNRS-École Polytechnique francés y el Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf ha decodificado por primera vez la estructura del agua superiónica. Para ello utilizó el láser de rayos X europeo XFEL cerca de Hamburgo y el láser de rayos X estadounidense LNCS en el Linear Accelerator Center de Stanford. Ambas instalaciones generan radiación de alta energía mediante aceleradores de partículas. El grupo habla de ello en la revista especializada “Nature Communications”.
El agua superiónica se forma a una presión de más de 150 gigapascales (aproximadamente 1,5 millones de veces la presión atmosférica) y a temperaturas de varios miles de grados Celsius. En estas condiciones, el agua se divide en oxígeno con carga negativa e hidrógeno con carga positiva, que a partir de entonces toman caminos separados. Mientras que los iones de oxígeno se disponen en una red fija, los iones de hidrógeno, los protones desnudos, se mueven libremente como en un plasma. Como esta fase exótica del agua conduce especialmente bien la electricidad, los expertos la han relacionado con la creación de los inusuales campos magnéticos de Urano y Neptuno. Debido a las grandes cantidades de agua que se sospecha que existen dentro de los dos gigantes de hielo, el agua superiónica puede incluso ser la forma más común de agua en nuestro sistema solar.
Aunque en experimentos anteriores ya se había podido crear agua superiónica, su estructura interna seguía sin estar clara. Los investigadores plantearon la hipótesis de que los átomos de oxígeno se organizan en una de dos formas cristalinas posibles: una estructura cúbica centrada en el cuerpo o una estructura cúbica centrada en las caras. En ambos casos, los átomos de oxígeno forman una red cúbica, con un átomo adicional en el centro del cubo o con un átomo adicional en el centro de cada una de sus caras.
© Greg Stewart / Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC (detalle)
Agua superiónica | Representación esquemática de la estructura microscópica del agua superiónica, en la que los átomos de oxígeno forman una red cristalina sólida, mientras que los iones de hidrógeno se mueven prácticamente libremente. Con la ayuda de potentes láseres se pudo medir experimentalmente esta condición extrema, que normalmente sólo ocurre dentro de grandes planetas.
El nuevo estudio ahora pinta un panorama mucho más diferenciado. Como resultado, el agua superiónica adopta una estructura híbrida que combina apilamientos cúbicos, centrados en las caras y hexagonales muy espaciados. Estos últimos están formados por átomos en capas muy apretadas que forman patrones hexagonales. La yuxtaposición de ambas disposiciones conduce a errores de apilamiento pronunciados en la red cristalina. En lugar de una estructura uniforme que se repite regularmente, se crea una secuencia desordenada de diferentes capas. Este complejo patrón sólo podría hacerse visible mediante mediciones extremadamente precisas utilizando láseres de rayos X de última generación.
Los resultados muestran una vez más que el agua, a pesar de su aparente simplicidad, puede desarrollar propiedades sorprendentemente diferentes en condiciones extremas. Al mismo tiempo, proporcionan pistas importantes para modelos más realistas de la estructura y evolución de los gigantes de hielo, una clase de planetas muy extendida tanto en nuestro sistema solar como más allá.
Andriambararijaona, L. et al., Nature Communications, 10.1038/s41467–025–67063–2, 2025
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