Difracción de rayos X en nanosegundos de hielo de agua superiónica comprimido por choque

Área de la Ciencia:

• Física de la materia condensada
• Ciencias de los materiales
• Física de altas presiones

Sus antecedentes:

• El agua (H2O) exhibe un polimorfismo complejo con más de diecisiete estructuras de hielo cristalinas y varias amorfas.
• Se predice que las presiones extremas (> 100 GPa) y las temperaturas (> 2,000 K) inducen un comportamiento superiónico en H2O, donde los protones se difunden a través de una red de oxígeno sólido.
• Este estado superiónico se caracteriza por una alta conductividad iónica, altas temperaturas de fusión y nuevas estructuras de celosía de oxígeno.

Objetivo del estudio:

• Investigar experimentalmente la formación y estructura del hielo de agua superiónica en condiciones extremas.
• Para proporcionar evidencia directa de la fase superiónica predicha del hielo de agua.
• Caracterizar la transformación de fase y la compresibilidad del hielo de agua a presiones gigapascales y temperaturas kilokelvin.

Principales métodos:

• Las ondas de choque impulsadas por láser se utilizaron para comprimir y calentar muestras de agua líquida a 100-400 GPa y 2.000-3.000 K.
• Se realizaron mediciones de difracción de rayos X in situ en las muestras sacudidas para determinar la estructura del hielo.
• El análisis de los patrones de difracción identificó la red de oxígeno cristalino y las transformaciones de fase.

Principales resultados:

• El agua se solidificó rápidamente en granos de hielo de tamaño nanométrico en condiciones extremas.
• Se obtuvo evidencia inequívoca de la red de oxígeno cristalino del hielo de agua superiónica.
• Se observó una transformación de fase de una fase cúbica centrada en el cuerpo (probablemente hielo X) a una nueva fase cúbica centrada en la cara, superiónica (hielo XVIII).
• La compresibilidad del hielo en estas condiciones extremas fue documentada.

Conclusiones:

• El estudio proporciona la primera evidencia experimental directa de la existencia y la estructura cristalina del hielo de agua superiónica (hielo XVIII).
• Los hallazgos confirman las predicciones teóricas del comportamiento superiónico en el agua bajo presión y temperatura extremas.
• Esta investigación abre nuevas vías para comprender los interiores planetarios y el comportamiento de la materia en condiciones extremas.