El agua corriente, comprimida a una presión gigantesca, acaba de adoptar una forma de hielo que nadie había observado antes en un laboratorio.
El hielo de nuestros congeladores es solo una de las muchas formas en que pueden organizarse las moléculas de agua. Cuando la presión aumenta considerablemente, sus átomos cambian de disposición y aparecen nuevas formas sólidas. Un equipo de investigadores acaba de observar una nueva, llamada hielo XXII. Su formación comienza alrededor de los 308 gigapascales, es decir, más de 3 millones de veces la presión atmosférica al nivel del mar.
Principio de un experimento a alta presión en una celda de yunques de diamante, con el paso de un haz láser y de rayos X a través de la muestra.
Dominio público, vía Wikimedia Commons.
Para alcanzar un valor tan elevado, el equipo colocó una diminuta muestra entre dos puntas de diamante. Este dispositivo concentra una fuerza sobre una superficie extremadamente pequeña. Después, los investigadores siguieron la disposición de los átomos mediante rayos X muy intensos producidos por un sincrotrón. Otra técnica, basada en la luz láser, les permitió detectar los cambios en el material.
Antes de alcanzar esa presión, el agua ya había dejado de parecerse desde hacía mucho tiempo a nuestro hielo habitual. Por encima de unos 70 gigapascales, adopta una forma llamada hielo X. Allí, los átomos de oxígeno siguen una organización muy regular. Al aumentar aún más la presión, los investigadores constataron que esa organización comenzaba a deformarse progresivamente.
Después, alrededor de los 308 gigapascales, las mediciones cambian claramente. Las señales producidas por los rayos X indican una nueva disposición de los átomos. El hielo X es entonces sustituido por el hielo XXII. Los experimentos indican que esta nueva forma permanece estable al menos hasta unos 340 gigapascales.
Diagrama de fase propuesto para el agua hasta 500 GPa.
Esta transformación se esperaba desde hacía casi treinta años. Los cálculos habían predicho que, a muy alta presión, la organización muy simétrica del hielo X acabaría dando paso a una estructura menos simétrica. Las mediciones coinciden con esta predicción. Según los autores, el hielo XXII es también la forma sólida del agua más densa observada experimentalmente hasta la fecha.
Estas presiones parecen desmesuradas a escala terrestre, pero pueden existir en el interior de grandes planetas. Allí, el agua no solo está sometida a una presión elevada: las temperaturas también pueden alcanzar varios miles de grados. Conocer las formas posibles del agua ayuda, por tanto, a construir modelos más realistas del interior de los planetas gigantes y de algunos mundos ricos en agua.
Sin embargo, el hielo XXII no debe considerarse una simple versión muy comprimida de un cubito de hielo. A estas presiones, los enlaces entre el hidrógeno y el oxígeno han cambiado profundamente. La organización de los átomos determina, entre otras cosas, la densidad y el comportamiento del material. Así, los experimentos proporcionan un punto de referencia concreto para poner a prueba los cálculos utilizados cuando las condiciones son imposibles de reproducir directamente con grandes cantidades de materia.
La próxima frontera se encuentra aún mucho más lejos. Los cálculos predicen otra modificación del hielo alrededor de los 760 gigapascales, pero las técnicas actuales de compresión estática todavía no permiten estudiarla adecuadamente. Los investigadores también quieren relacionar estos experimentos con los realizados mediante compresión brusca, en los que el agua calentada a más de 2 000 °C puede adoptar otros estados bajo presiones comparables.