El agua pura es un aislante casi perfecto. Sí, el agua que se encuentra en la naturaleza conduce la electricidad, pero eso se debe a las impurezas que contiene, que se disuelven en iones libres que permiten que fluya la corriente eléctrica. El agua pura sólo se vuelve “metálica” -eléctricamente conductora- a presiones extremadamente altas, más allá de nuestras capacidades actuales para producir en un laboratorio.
Pero, como los investigadores han demostrado ahora por primera vez, no son solo las altas presiones las que pueden inducir esta “metalicidad” en agua pura.
Al poner agua pura en contacto con un metal alcalino que comparte electrones, en este caso una aleación de sodio y potasio, se pueden agregar partículas cargadas que se mueven libremente, convirtiendo el agua en metálica.
La conductividad resultante solo dura unos segundos, pero es un paso importante para poder comprender esta fase del agua estudiándola directamente.
“¡Se puede ver la transición de fase a agua metálica a simple vista!” dijo el físico Robert Seidel de Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie en Alemania. “La gota plateada de sodio y potasio se cubre con un brillo dorado, que es muy impresionante”, agregó.
Bajo presiones suficientemente altas, prácticamente cualquier material podría teóricamente volverse conductor. La idea es que si presionas los átomos con la suficiente fuerza, los orbitales de los electrones externos comenzarían a superponerse, lo que les permitiría moverse. Para el agua, esta presión es de alrededor de 48 megabares, poco menos de 48 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra al nivel del mar.
Si bien se han generado presiones superiores a esto en un entorno de laboratorio, tales experimentos no serían adecuados para estudiar el agua metálica. Por eso, un equipo de investigadores dirigido por el químico orgánico Pavel Jungwirth de la Academia Checa de Ciencias en Chequia recurrió a los metales alcalinos.
Estas sustancias liberan sus electrones externos muy fácilmente, lo que significa que podrían inducir las propiedades de intercambio de electrones del agua pura altamente presurizada sin las altas presiones. Solo hay un problema: los metales alcalinos son altamente reactivos con el agua líquida, a veces incluso hasta el punto de la explosividad. Deje caer el metal en agua y obtendrá un ‘kaboom’.
El equipo de investigación encontró una manera muy ingeniosa de resolver este problema. ¿Qué pasa si, en lugar de agregar el metal al agua, se agrega agua al metal?
En una cámara de vacío, el equipo comenzó extrayendo de una boquilla una pequeña gota de aleación de sodio y potasio, que es líquida a temperatura ambiente, y agregó con mucho cuidado una película delgada de agua pura mediante deposición de vapor.
Al entrar en contacto, los electrones y cationes metálicos (iones cargados positivamente) fluyeron hacia el agua desde la aleación.
Esto no solo le dio al agua un brillo dorado, sino que hizo que el agua fuera conductora, tal como deberíamos ver en el agua pura metálica a alta presión.
Esto se confirmó usando espectroscopía de reflexión óptica y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X de sincrotrón. Las dos propiedades, el brillo dorado y la banda conductora, ocupaban dos rangos de frecuencia diferentes, lo que permitía identificarlos con claridad.
Además de darnos una mejor comprensión de esta transición de fase aquí en la Tierra, la investigación también podría permitir un estudio más detallado de las condiciones extremas de alta presión dentro de los grandes planetas.
En los planetas de hielo del Sistema Solar, Neptuno y Urano, por ejemplo, se cree que el hidrógeno metálico líquido se arremolina. Y es solo Júpiter en el que se cree que las presiones son lo suficientemente altas como para metalizar el agua pura.
La perspectiva de poder replicar las condiciones dentro del coloso planetario de nuestro Sistema Solar es realmente emocionante.
“Nuestro estudio no solo muestra que en la Tierra se puede producir agua metálica, sino que también caracteriza las propiedades espectroscópicas asociadas con su hermoso brillo metálico dorado”, dijo Seidel .
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