El hielo exótico ayuda a entender las anomalías magnéticas de Neptuno y Urano

Un estudio realizado en la Universidad de Campinas reúne conocimientos de diversas áreas y computación de alto rendimiento para entender las propiedades del agua existente en grandes cantidades en el subsuelo de esos planetas

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El hielo común –el que se hace en las heladeras de los hogares y que se conoce científicamente con el nombre de hielo Ih– no es la única fase cristalina del agua. Existen más de 20 fases distintas posibles. Una de ellas, llamada “hielo superiónico” o “hielo XVIII”, exhibe un especial interés. Entre otros motivos, debido al hecho de que compone gran parte del relleno de los planetas Neptuno y Urano, también conocidos como “gigantes de hielo”.

En la fase cristalina superiónica, el agua pierde su identidad molecular (H₂O): los iones negativos de oxígeno (O^2-) se disponen en una red cristalina extensa, y los protones, que constituyen los iones positivos de hidrógeno (H⁺), forman un fluido que circula por la red.

“Esta situación es análoga a la de un metal conductor como el cobre, con la grande diferencia de que, en el metal, los iones positivos conforman la red cristalina, mientras que los electrones, portadores de la carga eléctrica negativa, quedan relativamente sueltos circulando a través de la red”, dice el investigador Maurice de Koning, profesor titular del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp), en Brasil.

De Koning coordinó el estudio que redundó en un artículo publicado en el periódico Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) y destacado en su portada en la edición de noviembre de 2022.

Tal como lo explica el investigador, el hielo superiónico se forma a temperaturas extremadamente elevadas, del orden de los 5.000 kélvines (4.700 mil °C), y a presiones altísimas, de alrededor de 340 gigapascales. Este valor es más de 3,3 millones de veces mayor que el de la presión atmosférica normal de la Tierra. Por eso es imposible que haya hielo superiónico estable en el ambiente terrestre.

Pero en Neptuno y Urano, la presión resultante de los enormes campos gravitatorios de esos planetas gigantes hace posible la existencia de grandes cantidades de hielo XVIII en las capas internas más cercanas a los respectivos núcleos. Mediciones sismográficas confirman que esto realmente sucede.

“La electricidad que conducen los protones a través de las redes cristalinas de oxígenos está íntimamente ligada a la cuestión de por qué los ejes de los campos magnéticos de estos planetas no coinciden con sus ejes de rotación. Los mismos aparecen efectivamente bastante desplazados”, afirma De Koning.

Mediciones realizadas por la sonda espacial Voyager 2, que se acercó a esos planetas lejanos en su viaje hacia los confines del Sistema Solar y más allá, muestran que los ejes de los campos magnéticos de Neptuno y Urano forman ángulos de 47 grados y de 59 grados con sus respectivos ejes de rotación.

Experimentos y simulaciones

En la Tierra, un experimento reportado en la revista Nature en 2019 consiguió producir una minúscula cantidad de hielo XVIII que se mantuvo por un nanosegundo, es decir, una milmillonésima de segundo, antes de desestructurarse. Esto se logró mediante la aplicación de ondas de choque generadas con láser y arrojadas sobre una muestra de agua.

Según lo describieron los autores del experimento, se dispararon seis haces láser de alta potencia en una secuencia temporal precisa para comprimir mediante ondas de choque una delgada capa de agua encapsulada entre dos superficies de diamante. Las ondas de choque reverberaron entre los dos diamantes rígidos, suministrando una compresión homogénea del agua que resultó, por un lapso de tiempo diminuto, en la fase cristalina superiónica.

“En el estudio que llevamos a cabo ahora, no hicimos un experimento físico real, sino que usamos simulación computacional para investigar las propiedades mecánicas del hielo XVIII y descubrir de qué manera sus deformaciones influyen sobre las conductas observadas en los planetas Neptuno y Urano”, informa De Koning.

El investigador comenta que este estudio echó mano de la Teoría del Funcional de la Densidad (Density Functional Theory, DFT o TFD), un método derivado de la mecánica cuántica y aplicado en física de los sólidos para dilucidar estructuras cristalinas complejas. “Investigamos primeramente la conducta mecánica de una fase sin defectos, que no existe en el mundo real. Posteriormente, añadimos defectos para saber qué tipos de deformaciones macroscópicas resultan de ello”, explica.

Cuando se hace alusión a los defectos en cristales, la expresión generalmente se refiere a defectos puntuales, caracterizados por la vacancia de iones o por la intrusión de iones de otros materiales en la red cristalina. Pero no es eso lo que se aborda aquí. El defecto que De Koning menciona no es puntual, sino lineal. Se lo denomina “discordancia” y sucede cuando una fase del cristal se desliza sobre otra fase. El resultado es parecido a lo que ocurre cuando se empuja una alfombra sobre el piso en sentido longitudinal, produciendo una ondulación transversal en la misma.

“En la física de cristales, la discordancia fue postulada en 1934. Pero solamente se la observó experimentalmente por primera vez en 1956. Se trata de un defecto que explica una gran cantidad de fenómenos. Solemos decir que este es a la metalurgia como el ADN lo es a la genética”, subraya el investigador.

En el caso del hielo superiónico, la suma de discordancias produce una deformación macroscópica bastante conocida por los mineralogistas, metalúrgicos e ingenieros: la cizalladura. “En nuestro estudio, calculamos entre otras cosas cuánto es necesario para forzar al cristal a romperse por corte o cizalladura”, destaca De Koning.

Para ello el investigador y sus colegas debieron considerar una célula bastante extensa del material, con alrededor de 80 mil moléculas. Los cálculos exigieron la aplicación de técnicas computacionales extremadamente pesadas y sofisticadas, mediante el empleo de una red neural y aprendizaje automático, y la composición de diversas configuraciones basadas en cálculos DFT.

“Ese fue un aspecto bastante interesante de nuestro estudio, que consistió en la integración de conocimientos de diversas áreas: metalurgia, planetología, mecánica cuántica y computación de alto rendimiento”, culmina De Koning.

Este trabajo contó con el apoyo de la FAPESP a través de una beca de posdoctorado otorgada al primer autor, Filipe Matusalém de Souza, bajo la supervisión de De Koning; y en el marco de un Proyecto Temático coordinado por el investigador de la Unicamp Alex Antonelli, y del Centro de Ingeniería y Ciencias Computacionales (CCES), financiado en el ámbito del Programa de Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID). 

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Plastic Deformation of Superionic Water Ices en el siguiente enlace: www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2203397119.