Los físicos de la UNLV fueron pioneros en una nueva técnica de calentamiento por láser en una celda de yunque de diamante (en la foto aquí) como parte de su descubrimiento de una nueva forma de hielo. Crédito: Chris Higgins

Los hallazgos podrían tener implicaciones para nuestra comprensión de los planetas distantes ricos en agua.

Los investigadores de NLV han descubierto una nueva forma de hielo, redefiniendo las propiedades del agua a altas presiones.

El agua sólida, o el hielo, es como muchos otros materiales en el sentido de que puede formar diferentes materiales sólidos en función de las diferentes condiciones de temperatura y presión, como el diamante que forma el carbono o el grafito. Sin embargo, el agua es excepcional a este respecto, ya que conocemos al menos 20 formas sólidas de hielo.

Un equipo de científicos que trabaja en el Laboratorio de Condiciones Extremas de Nevada de la UNLV ha sido pionero en un nuevo método para medir las propiedades del agua bajo alta presión. La muestra de agua se exprimió primero entre las puntas de dos diamantes opuestos y se congeló en varios cristales de hielo mixtos. Luego, el hielo se sometió a una técnica de calentamiento por láser que lo derritió temporalmente antes de convertirse rápidamente en una colección de pequeños cristales en polvo.

Al aumentar la presión de forma incremental y dispararla periódicamente con el rayo láser, el equipo observó que el hielo de agua pasaba de una fase cúbica conocida, Ice-VII, a la fase intermedia y tetragonal recién descubierta, Ice-VIt, antes de asentarse. en otra fase conocida, Ice-X.

Zach Grande, Ph.D de la UNLV. estudiante, dirigió un trabajo que también demostró que la transición a Ice-X, cuando el agua se endurece agresivamente, ocurre a presiones mucho más bajas de lo que se pensaba anteriormente.

Si bien es poco probable que encontremos esta nueva fase de hielo en ningún lugar de la superficie de la Tierra, es probable que sea un ingrediente común en el manto de la Tierra, así como en lunas grandes y planetas ricos en agua fuera de nuestro sistema solar.

Los hallazgos del equipo se informaron en la edición del 17 de marzo de 2022 de la revista. Revisión física B.

Aprendizaje

El equipo de investigación había estado trabajando para comprender el comportamiento del agua a alta presión que puede estar presente en el interior de planetas distantes.

Para hacer esto, Grande y el físico de la UNLV, Ashkan Salamat, colocaron una muestra de agua entre las puntas de dos diamantes de corte redondo conocidos como celdas de yunque de diamante, una característica estándar en el campo de la física de alta presión. Aplicar un poco de fuerza a los diamantes permitió a los investigadores recrear presiones tan altas como las que se encuentran en el centro de la Tierra.

Al apretar la muestra de agua entre estos diamantes, los científicos dirigieron los átomos de oxígeno e hidrógeno en una variedad de arreglos diferentes, incluido el arreglo Ice-VIit recientemente descubierto.

La primera técnica de calentamiento por láser no solo permitió a los científicos observar una nueva fase del hielo de agua, sino que el equipo también descubrió que la transición a Ice-X se produjo a presiones casi tres veces más bajas de lo que se pensaba anteriormente: a 300.000 atmósferas en lugar de 1 millón. Esta transición ha sido un tema muy debatido en la comunidad durante varias décadas.

«El trabajo de Zach ha demostrado que esta transformación a un estado iónico ocurre a presiones mucho más bajas de lo que se pensaba anteriormente», dijo Salamat. “Es la pieza que falta y las mediciones más precisas jamás realizadas en el agua en estas condiciones”.

El trabajo también recalibra nuestra comprensión de la composición de los exoplanetas, agregó Salamat. Los investigadores plantean la hipótesis de que la fase de hielo Ice-VIIt puede existir en abundancia en la corteza y el manto superior de los planetas ricos en agua fuera de nuestro sistema solar, lo que significa que pueden tener condiciones habitables para la vida.

Referencia: “Transiciones de simetría impulsadas por la presión en H denso_dosO ice” de Zachary M. Grande, C. Huy Pham, Dean Smith, John H. Boisvert, Chenliang Huang, Jesse S. Smith, Nir Goldman, Jonathan L. Belof, Oliver Tschauner, Jason H. Steffen y Ashkan Salamat, 17 marzo de 2022, Revisión física B.
DOI: 10.1103/PhysRevB.105.104109

Los colaboradores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore utilizaron una gran supercomputadora para simular la reorganización de los enlaces, prediciendo que las transiciones de fase deberían ocurrir precisamente donde fueron medidas por los experimentos.

Los colaboradores adicionales incluyen a los físicos de la UNLV Jason Steffen y John Boisvert, el mineralogista de la UNLV Oliver Tschauner y los científicos del Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Arizona.