Científicos han logrado observar por primera vez una nueva fase del hielo superiónico, conocida como hielo hexagonal compacto (hcp), bajo condiciones extremas que replican el interior de los gigantes helados del sistema solar. Este descubrimiento, publicado en la revista Physical Review Letters, marca un hito en la física de altas presiones y la astrofísica planetaria, ofreciendo nuevas claves para entender la estructura interna y los campos magnéticos de planetas como Urano y Neptuno.
El agua es una sustancia extraordinariamente compleja. Bajo las condiciones normales de la Tierra, sus propiedades son bien conocidas: se expande al congelarse, tiene una tensión superficial alta y, basándose en su peso molecular, debería ser un gas a temperatura ambiente. Sin embargo, cuando se somete a presiones y temperaturas extremas, el comportamiento del agua se vuelve aún más exótico. El equipo de investigación, liderado por el físico Alexis Forestier del CEA (Comisión de Energías Alternativas y Energía Atómica) de Francia, sometió muestras diminutas de agua a presiones de hasta 230 gigapascales (2,3 millones de atmósferas) y temperaturas de hasta 2.630 kelvins (2.357 °C). Estas condiciones son comparables a las que existen en el núcleo de la Tierra y en las profundidades de los gigantes helados.
Bajo estas condiciones de presión aplastante, el agua no puede expandirse como lo haría al convertirse en gas. En su lugar, permanece densa y adopta formas exóticas. Una de estas formas es el hielo superiónico, un estado de la materia que es a la vez sólido y líquido. En este estado, los átomos de oxígeno permanecen fijos en una red cristalina rígida, mientras que los núcleos de hidrógeno se mueven libremente a través de esa red, comportándose como un líquido. Hasta ahora, se conocían varias fases de hielo superiónico, siendo la más estudiada la de estructura cúbica centrada en las caras (fcc). Sin embargo, la teoría predecía la existencia de otra fase, la hexagonal compacta (hcp), que nunca había sido observada experimentalmente de manera inequívoca.
Utilizando un haz estrecho de rayos X de sincrotrón, los investigadores analizaron los cambios en la estructura cristalina del hielo a medida que aumentaban la presión y la temperatura. Los resultados mostraron una transición clara: a 155 gigapascales y 2.000 kelvins, la señal de rayos X mostraba una mezcla de estructuras fcc y hcp. Al aumentar la presión a 197 gigapascales y la temperatura a 2.250 kelvins, la firma de la estructura hcp se volvió más dominante. Finalmente, a 219 gigapascales y 2.630 kelvins, la señal de fcc había desaparecido casi por completo, confirmando que la estructura hcp es la forma estable del hielo superiónico en estas condiciones extremas. Los investigadores también notaron que datos de experimentos anteriores, realizados a presiones superiores a 130 gigapascales, contenían señales que ahora identifican como hcp, lo que sugiere que esta fase podría haberse producido antes sin ser reconocida.
Este descubrimiento tiene implicaciones profundas para la comprensión de los gigantes helados. Se cree que el interior de Urano y Neptuno está compuesto en gran parte por agua, amoníaco y metano bajo presiones y temperaturas extremas, formando un océano de hielo superiónico. La forma en que este hielo conduce la electricidad y se mueve es fundamental para generar los campos magnéticos de estos planetas. Los campos magnéticos de Urano y Neptuno son inusuales: están desplazados del centro del planeta y inclinados en ángulos extremos, lo que ha llevado a los científicos a especular sobre la naturaleza del material en su interior. Si el hielo hcp conduce la electricidad de manera diferente al hielo fcc, su presencia podría alterar los modelos actuales de cómo se mueven las cargas eléctricas en el interior de estos mundos, ayudando a explicar sus campos magnéticos "desordenados" y asimétricos.
A pesar del avance, los investigadores admiten que aún queda mucho por aprender. Las propiedades exactas del hielo hcp, especialmente su plasticidad mecánica y su conductividad eléctrica, no se conocen todavía. Se requiere más trabajo teórico y experimental para determinar con precisión en qué rango de presiones y temperaturas es estable el hielo hcp en comparación con su contraparte fcc. Además, se necesitan más experimentos para confirmar si esta fase es común en otros contextos astrofísicos. Este hallazgo no solo amplía nuestro conocimiento sobre las fases del agua, sino que también refuerza la idea de que el agua, la sustancia más común en la Tierra, sigue guardando secretos fascinantes cuando se la somete a las condiciones más extremas del universo. El estudio publicado en Physical Review Letters abre una nueva puerta para la investigación en física de altas presiones y ciencia planetaria, recordándonos que incluso las sustancias más cotidianas pueden comportarse de maneras extraordinarias bajo las circunstancias adecuadas.