Hielo ardiente y denso, creado en nanosegundos

El agua es una sustancia maravillosa, no sólo por lo que representa para la vida tal como la conocemos, sino también por sus interesantísimas propiedades. En nuestra experiencia cotidiana estamos acostumbrados a verla en tres estados: agua líquida, hielo, y vapor de agua. Es algo tan común a nuestra existencia que de hecho la escala Celsius toma como referencia para el 0 y el 100 las temperaturas a la que se produce el cambio de fase sólido/líquido y líquido/gaseoso respectivamente.

Sin embargo, los tres estados del agua a los que estamos acostumbrados son sólo una pequeña parte del repertorio de estados posibles que puede tomar. Centrándonos en los estados sólidos, hay más de quince estados distintos y que exhiben diferentes propiedades físicas y estructurales. La variedad más común y a la que estamos acostumbrados es la que se conoce como hielo Ih, donde la ‘h’ hace referencia a que la organización cristalina es hexagonal. Otra variedad más rara, pero que también se puede encontrar en la naturaleza es el hielo Ic, en el que la estructura cristalina es cúbica. Dicha variedad tiene propiedades similares al hielo común, pero se forma generalmente a temperaturas mucho más bajas (en las capas altas de la atmósfera por ejemplo). Las restantes variedades (hielo II, III, …) se alcanzan con diferentes condiciones de temperatura o presión, tal como puede verse en el diagrama de fases inferior.

Credit: Martin Chaplin

Si se inspecciona este diagrama de fases, se puede apreciar como existen variedades de hielo a altas temperaturas. Se trata de un hecho muy sorprendente con respecto a lo que estamos acostumbrados: en determinadas circunstancias más o menos extremas de presión, el agua se congela a pesar de tener temperaturas que harían que se evaporara inmediatamente de estar en condiciones ambientales normales. La producción de estas exóticas variedades de hielo es algo que se puede hacer desde hace décadas, aunque a medida que los medios técnicos lo va permitiendo, se van explorando condiciones cada vez más extremas.

Un experimento de este tipo es el que han realizado en los Laboratorios Sandia, en Albuquerque, Nuevo Méjico (el nombre de los laboratorios -que dependen del gobierno estadounidense- hace referencia a las montañas Sandia, que se encuentran al Oeste de Albuquerque). Concretamente han estudiado la formación de hielo VII, un hielo de estructura cúbica que se produce a alta temperatura y presión. De acuerdo con el diagrama de fases superior, el hielo VII tiene un punto triple con el agua líquida y el hielo VI a 81.6°C de temperatura y 2.2 GPa de presión. Esta última cifra corresponde a unas 22,000 atmósferas, una presión formidable que requiere medios técnicos muy importantes para ser alcanzada. El método seguido ha sido emplear la máquina Z, un formidable acelerador que ha sido capaz de producir la más alta temperatura jamás registrada: más de 2,000 millones de grados kelvin, superior a la del interior de la mayoría de las estrellas, y similar a la de una supernova. Esto se consigue a través de pulsos eléctricos colosales, del orden de 20 millones de amperios. De resultas de estas descargas sobre unos finísimos filamentos de tungsteno, se produce plasma y rayos X con una energía de 2 millones de julios, y se alcanza una potencia máxima de 290 teravátios.

En el experimento reseñado, se ha utilizado la máquina para comprimir extraordinariamente una fina capa de agua de 25 micras de espesor. Las altas temperaturas generadas volatilizan parte del agua, generando ondas de choque que comprimen el líquido en un rango de entre 50,000 y 120,000 atmósferas (entre 5 GPa y 12 GPa). En estas situaciones, el agua líquida se congela inmediatamente, en un tiempo cuyo orden es de nanosegundos.

Debe reseñarse que la congelación ultra-rápida del agua líquida a presiones extremas es un fenómeno ya conocido. Un artículo del año 2004 realizado por D.H. Dolan y Y.M. Gupta, titulado

• Nanosecond freezing of water under multiple shock wave compression: Optical transmission and imaging measurements

y publicado en la revista Journal of Chemical Physics, describe como se consigue hielo VII al comprimir agua líquida en el rango de 1-5 GPa. Dicha congelación se produce en el orden de nanosegundos gracias a la acción de partículas de sílice que actúan como aglutinantes, y en cuya ausencia no se produce solidificación. Lo que se ha conseguido en el nuevo experimento, realizado también por D.H. Dolan y colaboradores, es encontrar un límite superior a la presión que el líquido puede soportar sin congelarse, aun en la ausencia de partículas aglutinadoras. Los resultados se describen en un artículo titulado

• A metastable limit for compressed liquid water

publicado en Nature Physics. Tal como describen los autores, a partir de 7 GPa el agua no puede seguir en estado líquido, y se solidifica en cuestión de nanosegundos.

Este tipo de estudios son interesantes por varios motivos de índole tecnológica y científica. En particular, esta línea de investigación puede ayudar a aclarar cuáles son exactamente las fases del agua en condiciones extremas. Esto es importante ya que por ejemplo, algunas simulaciones indican la existencia de un estado denominado agua metálica: en este estado, los electrones se mueven libremente por el material, como en los metales, lo que hace que sea conductor. Las condiciones necesarias para que se produzca este estado son de unos 4000 K de temperatura, y unos 100 GPa de presión, lo que abre la puerta a que pueda darse en el interior de gigantes gaseosos como Neptuno.